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【2016诺贝尔奖】化学奖:分子如何变成机器

果壳网:

本文作者:环球科技观光团

诺贝尔化学奖2016年授予让 - 皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage),J·弗雷泽·斯托达特爵士(Sir J. Fraser Stoddart),以及伯纳德·L·费林加(Bernard L. Feringa)。他们做出了只有头发丝千分之一粗细的分子机器。他们成功地将分子连在一起,共同设计了包括微型电梯、微型电机还有微缩肌肉结构在内的所有分子机器,这是他们的故事。

 

你可以把机器做到多小?诺贝尔奖获得者理查德·费曼在50年代就预测到了纳米技术的发展,他在1984年在一次富有远见的演讲中提出了这个问题。他赤着脚,穿着粉红色的polo衫和米色短裤,转向观众说:“现在我们来谈谈,制造极其微小的、有可移动部件的机器的可能性。”

他相信,在纳米尺度下打造机器是可能的。这在自然界是存在的。他举了细菌鞭毛为例,这些葡萄酒开瓶器形状的大分子不断旋转,推动着细菌前进。但人类可不可以用自己的巨大双手,制造如此之小、需要电子显微镜才能看的机器呢?

 未来的愿景——分子机器将25~30年之内出现 

一种可能的方法,是做一台比人类自己的手更小的机械,然后用这新的“手”再做更小的手,然后再做更更小的手,如此这般,直到能用微型手造同样微型的机械。费曼说,有人试过,但不太管用。

另一种理查德·费曼觉得更靠谱的策略,是自下而上地建造机械。在他的理论构想中,不同的物质,比如硅,可以被喷洒到同一个表面上,一层原子叠一层原子。之后,一些层被部分溶解并除去,形成可以使用电流来控制的移动部件。在费曼对于未来的展望中,这样的结构可以用来做一个微型摄像机的快门。

讲座的目的是启发当时听众中的研究人员,让他们检验他们所相信的东西的极限在哪里。最后费曼合上他的笔记本,看向听众,俏皮地说:“…你们可以试试看,能否重新设计你们熟悉的各种机器,这个过程肯定很愉快。25~30年之内,应该会有一些这方面的实际应用。但它具体是什么,我不知道。”

费曼和当时听众中的研究人员都不知道,那时分子机械的研究已经走出了第一步,而且方式和费曼预测的相当不同。

 用机械力锁起分子 

在20世纪中期,为了制造越来越复杂的分子,化学家们试着去创造分子锁链——让环状分子能够互相连接。如果有人能成功做到这一点,将不仅意味着一种惊人的新分子诞生,于此同时也创造了一种全新的化学键。正常情况下,分子们是被强力的共价键维系的,原子在其中共享电子。而这一梦想则想要以机械键取而代之,让分子们得以互相连锁而其原子却不直接发生相互作用(图1) 。

在20世纪的50和60年代,一些研究小组报告过在他们的试管中制出了分子锁链,然而他们所生产的数量很小,而方法又过于复杂,因此用途有限。人们更多地视这些成就为好奇探索,而非有功能的化学。在多年挫折之后,许多人都放弃了希望,到了80年代初期,这个领域充满了厌倦情绪。然而,重大突破却于1983年出现了。用一个普通的铜离子,一个由让-皮埃尔·萨维奇所带领法国的研究团队就掌控了分子。

 让-皮埃尔·索维奇把分子聚集在一个铜离子周围 

在科学研究中,灵感常常来自完全不同的领域。让-皮埃尔·索维奇的研究领域是光化学,这个领域的化学家试图开发能够捕获太阳能并用它驱动化学反应的分子复合物。当索维奇建好了其中一个这样的光化学分子模型之后,他突然间发现了这个模型与分子链的相似之处:一个核心铜离子周围缠着两个分子。

这灵光一闪使得让-皮埃尔·索维奇的研究方向大转。利用这一光化学复合物作为模型,他的研究组构建了一个环状的分子和一个新月形的分子,并使这两种分子能够被铜离子吸引(图1);铜离子作为凝聚力让这些分子呆在一起。接下来,研究组利用化学手段将新月形的分子和另一个分子“焊接”到一块,这样一来,另一个环就形成了——它与之前的环状分子组成了锁链的第一个环扣。这时,研究者能够移走已经完成任务的铜离子。

 

图1:让-皮埃尔•索维奇利用铜离子的机械键来让分子互锁起来。 

化学家们会讨论化学反应的“产率”:那些形成目标分子的反应物占初始反应物的百分比。之前,在尝试构建结环分子的研究中,最成功的产率也只有几个百分点。而在铜离子的帮助下,索维奇能够将产率提高到惊人的42%。突然间,分子链不再只是纯好玩的东西了。

有了这样革命性的方法,索维奇复兴了拓扑化学领域。在这一领域中,研究者们(经常借助金属离子的)在越来越多的复合物结构中将分子互锁——从长长的链到复杂的扭结。

让-皮埃尔·索维奇和J.弗雷泽·斯托达特(我们很快会再谈到他)是这一领域的领航者,他们的研究组构建出了各种文化标志的分子版本,诸如三叶结、所罗门结和博罗米恩环(图2)。

 

图2: a. 让-皮埃尔·索维奇创造出了三叶结分子。这个标志在凯尔特十字、如尼石刻、对雷神之锤的描绘中都有出现;在基督教中,它代表着三位一体。b. J.弗雷泽·斯托达特构建的博罗米恩环。它在古代北欧文石画上出现,同样代表这三位一体。c. 斯托达特和索维奇构建的所罗门结分子,这个图案象征着所罗门王的智慧。它在伊斯兰常常被使用,也曾出现在罗马马赛克画中。 

不过,美观的分子结只是2016年诺贝尔化学奖故事的旁支——回到分子机器上吧。

 走出了迈向分子马达的最初一步 

让-皮埃尔·索维奇很快意识到分子锁链(称为“索烃”,catenanes)并不只是一类新的分子。他认识到自己已经迈出了创造分子机器的第一步。为了让机器完成一项任务,它必须包含能够相互运作的若干部分。两个互锁的环就能够满足这个要求。1994年,让-皮埃尔·索维奇的研究组又成功构建了一种索烃,它的其中一个环能在接受能量后受控绕另一个环旋转。这是非生物分子机器的最初雏形。

另一个化学家构建了第二个分子机器雏形。这位化学家成长的地方,在苏格兰一个没有电也没有任何现代设施的农场。

 弗雷泽·斯托达特把一个分子环串到了一个分子轴上 

斯托达特小时候没有电视看也没有电脑玩儿。用来打发时间的是拼图游戏,这就给了他一个化学家所需要的训练:辨认形状,发现它们可以怎样组合在一起。他还被化学中的一种可能性所吸引,就是可以成为分子艺术家——雕琢出世界上从来没有人见过形状。

后来斯托达特开发出了让他获得2016年度诺贝尔奖的分子,利用的正是分子间的互相吸引。1991年他的团队造出了一个开环,上面缺乏电子;还造出一根长棒(轮轴),这根轴上有两处富集电子(图3)。当这两种分子在溶液中相遇时,缺电子的那个就会被有电子的那个吸引,于是环被套进了轴上,接下来把环加以闭合,让环不会掉下来。于是他们以极高的产率得到了“轮烷”:一个环状分子以机械作用套在一个轴上。

接下来斯托达特利用了环能在轴上移动的特性。加热时,环会在轴的两个富电子部分之间前窜后跳——就像一个微型梭。1994年,他们做到了完全控制其运动,使得它不再像置于其他化学系统中那样只会自由随机移动。

 

图3:斯托达特创造的“分子梭”,它以可控的方式在轮轴上移动 电梯,肌肉和迷你芯片 

从1994年开始,斯托达特的研究团队就使用各种轮烷来建构多种分子机器,包括电梯(2004年,见图4),它可以将自己从表面上抬高0.7纳米;还有人造肌肉(2005),其中轮烷能把一块非常薄的金箔弄弯。

斯托达特还和其他研究者联手开发了一种基于轮烷的计算机芯片,能储存20kB的数据。现今计算机芯片中的晶体管已经十分微小,但是和轮烷基芯片一比都要算是巨型了。研究者相信分子计算机芯片能够像硅片晶体管当年那样,给计算机技术带来又一次革命。

 

图4:斯托达特的“分子电梯” 

索维奇也在探寻轮烷的潜力。在2000年,他的团队成功地将两个环形分子串到了一起,形成了一个弹性结构,有点像人的肌肉中的细丝(图5).他们还造出了一种类似马达一样的东西,轮烷的圈在各个不同方向上交替旋转。对于分子机械工程来说,重要的目标是制造出一个能够在同一方向上持续旋转的马达。在1990年代,该领域的研究者们作出了许多不同的尝试,但是最先冲过终线的是荷兰人伯纳德·L·费林加。

 

图5:索维奇将两个分子环串在一起,这个结构可以拉伸和回缩。 费林加建造了第一个分子马达 

和斯托达特相仿,费林加同样成长在农场里,被化学中无穷无尽的创造可能性所吸引。就如他在一次采访中所说:“也许化学的力量不在仅于理解,更在于创造,制造出前所未有的分子和材料……”

在1999年,当费林加建造出第一个分子马达时,他用了若干妙计使得它只朝同一方向旋转,并保持此方向不变。正常情况下,分子的运动是随机的,一个旋转的分子向左与向右转动的概率大体相同。但费加林通过机械构建,设计出了一种分子,让其只朝一个特定方向旋转(图6)。

 

图6:当费林加创造出第一个分子马达时,它的机械构造被设计成向特定方向旋转的样子。他的研究小组已经对马达进行了优化,现在它的转速达到了每秒1200万。 

分子由两个小旋翼叶片般的结构组成,它们是两个平面的化学结构,由一对碳碳双键连接。每个叶片分别与一个甲基相连,它们和叶片一起如同棘轮般运作,迫使分子朝同一方向转动。当分子被暴露在紫外线脉冲下时,一个旋翼叶片围绕中心的双键翻跃了180度。接着,棘轮运转到位。当下一束脉冲到来时,叶片又再翻跃了180度。这个过程不断重复,分子就一圈圈按照相同方向旋转。

第一个分子马达的速度并不快,但费林加的研究组对其进行了优化。在2014年,马达的旋转速度达到了每秒1200万转。2011年时,研究组还制造了一个四轮驱动纳米车,一个分子底盘将四个马达联结在一起,当作车轮使用。当车轮旋转时,纳米车就在表面上向前行驶。

 

图7:费林加的四轮分子车。 转动小玻璃圆柱的分子马达 

在另一个激动人心的实验中,本·费林加的研究团队用分子马达转动了一个28微米长的玻璃圆柱(比分子马达本身大10000倍)。在实验中,他们将马达纳入液晶(一种具有晶体结构的液体)中。大概只有1%的液晶里有分子马达,然而,当研究者开始让它们转动时,马达的旋转改变了液晶的结构。当研究者将玻璃圆柱放到液晶上时,它也开始因马达的旋转而旋转(这个过程的视频可以从这里下载)。

 可用于构建的分子工具箱 

让-皮埃尔·索维奇、弗雷泽·斯图达特和本·费林加开创出了分子机器发展的道路,因此诞生的一系列化学结构,成了全世界研究者用来进一步创作的工具箱。其中最令人震撼的例子是一个可以抓取并连接氨基酸的分子机器人。它是2013年以轮烷为基础建造出来的。

其他研究者已经在将分子马达与长聚合物相连,从而使之形成精细纠缠的网络。当分子马达照到光时,它们就会将聚合物缠绕成混乱的一捆。通过这种方式,光能就被存储在分子中。假如研究人员能找到办法来重新利用这些能源,就能开发出一种新电池。当马达缠起聚合物时,这种材料还会缩小,因此可以开发成受光控制的传感器。

 远离平衡——迈向全新而充满活力的化学 

这些研究进展之所以能获得2016年的诺贝尔化学奖,很重要的部分原因在于研究者驱动着分子系统远离所谓的平衡态。所有的化学系统都会力图达到平衡——一种低能量状态——但这也是种僵局。我们可以举出生命这个例子。当我们进食时,人体内的分子从食物中汲取能量,推动我们的分子系统远离平衡,去向更高能量的状态。生物大分子随后再用这些能量来推动必不可少的化学反应,这样身体才能存活。假如身体处在化学平衡态,我们就死得不能再死了。

和生命分子一样,索维奇、斯托达特和费林加的人造分子系统能执行受控任务。化学因此向着全新世界迈出了第一步。时间已经清楚无误地显示出微型化对计算机科技有多大的革命性作用,而我们才刚刚看到微型化改变机械的第一阶段而已。从发展的角度看,现在的分子马达就相当于1830年代的电动马达,那时的研究者会在实验室里骄傲地展示各式各样的旋转曲柄和动轮,而丝毫不知这些东西将导向电动火车、洗衣机、风扇和食物料理机。

因此,费曼富有远见地演讲完32年后,我们仍然只能猜想我们面前有着多么令人激动的发展。但我们终于能明确回答他最初提出的那个问题——你能做出多小的机械?至少比头发丝直径小1000倍。

让-皮埃尔·萨维奇,1944年生于法国巴黎。1971年获法国斯特拉斯堡大学博士学位。现任斯特拉斯堡大学名誉教授,及法国国家科学院名誉研究主管。

J.弗雷泽·斯托达特爵士,1942年生于英国爱丁堡,1966年获英国爱丁堡大学博士学位,现任美国西北大学的董事会化学教授。

伯纳德·L·费林加,1951年生于荷兰巴杰-康帕坎。1978年获荷兰格罗宁根大学博士学位,现任格罗宁根大学有机化学教授。

(编辑:Ent,窗敲雨)

 编译来源 The Nobel Prize in Chemistry 2016 Popular Science Background: How molecules became machines 本文来源于果壳网(Guokr.com),如需转载请联系media@guokr.com
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