三位“世上最小機(jī)器”發(fā)明者分享2016年諾貝爾化學(xué)獎

秦雪/編譯

三位“世上最小機(jī)器”發(fā)明者分享2016年諾貝爾化學(xué)獎

秦雪/編譯

分子機(jī)器發(fā)明者：弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·費(fèi)林加、讓-皮埃爾·索瓦日

瑞典皇家科學(xué)院于當(dāng)?shù)貢r間10月5日宣布，2016年諾貝爾化學(xué)獎授予設(shè)計了世界上最小機(jī)器的讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷澤·斯托達(dá)特（J.Fraser Stoddart）和伯納德·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa）這三位科學(xué)家，以表彰他們設(shè)計制造出可移動分子的納米機(jī)器，在分子機(jī)器設(shè)計與合成領(lǐng)域做出的開拓性貢獻(xiàn)。

這種分子機(jī)器是世界上最小的機(jī)械設(shè)備，未來可用于制造新材料、傳感器和能量存儲系統(tǒng)。“就其未來發(fā)展前景而言，這種分子馬達(dá)相當(dāng)于19世紀(jì)30年代電動馬達(dá)的初始發(fā)展階段，當(dāng)時科學(xué)家展示了電動馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子的奇跡，卻未能預(yù)料到電動馬達(dá)的發(fā)明孕育了更多新事物，如電動火車、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇和食物加工機(jī)器等。”瑞典皇家科學(xué)院宣布獎項時說。

這三位科學(xué)家將共享2016年諾貝爾化學(xué)獎獎金，計800萬瑞典克朗（約合93萬美元）。

成就介紹

創(chuàng)建納米級結(jié)構(gòu)的納米技術(shù)研究領(lǐng)域，近幾十年來成果斐然。現(xiàn)如今科學(xué)家們正在學(xué)習(xí)如何構(gòu)建可移動的微型機(jī)器，這種機(jī)器極其微小，只有人類頭發(fā)絲直徑的千分之一。

創(chuàng)建分子機(jī)器的第一步是要有一個移動部件，化學(xué)家早就已經(jīng)能夠合成環(huán)狀的分子，他們還知道如果能將環(huán)狀分子環(huán)環(huán)相扣，就可作為分子機(jī)器的移動部件。但是如何將第二個環(huán)穿過第一個環(huán)呢？索瓦日博士在1983年時想到了解決辦法。

他發(fā)現(xiàn)，帶電銅離子可作為固定鎖環(huán)的“銷子”，兩環(huán)相扣后，銅離子可被移除，這樣的分子被稱為索烴，分子以機(jī)械方式連在一起，就像鏈條間的鏈接，而不是通常的化學(xué)鍵連接方式。

1991年，斯托達(dá)特在環(huán)狀分子的連接問題上取得了進(jìn)展，當(dāng)時在英國伯明翰大學(xué)的斯托達(dá)特博士和他的同事想到的辦法不是將兩個圓環(huán)相連，而是合成一種叫做輪烷的環(huán)狀分子，環(huán)狀分子里面包裹著一根啞鈴狀的軸，就像算盤上的珠子一樣沿著啞鈴軸來回滑動。

然后斯托達(dá)特博士構(gòu)建了一個作為分子“算盤”的小型電腦芯片以及其他復(fù)雜的設(shè)備，由三個輪烷構(gòu)成的環(huán)連接起來形成一個較大的平臺，可提升0.7納米，形成一種分子“電梯”，一層層薄薄的輪烷可像人造肌肉一樣彎曲活動。

根據(jù)索瓦日博士和斯托達(dá)特博士發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)建的分子能以復(fù)雜的方式產(chǎn)生扭曲。斯托達(dá)特博士在一次采訪中說道，他的靈感來自于鎖扣相連的凱爾特結(jié)藝術(shù)形式。

1999年，費(fèi)林加博士成為開發(fā)分子馬達(dá)的第一人，創(chuàng)建了一種極小的轉(zhuǎn)子葉片，以朝著一個方向不斷轉(zhuǎn)動的光為動力。第一次制造出來的分子馬達(dá)速度并不快，但15年后，通過他和他的研究小組的展示，分子馬達(dá)的速度可提高到每秒鐘旋轉(zhuǎn)1200萬次。2011年，他們建造了一個四輪驅(qū)動的分子“汽車”，四個分子馬達(dá)作為車輪，連接在納米“底盤”上。

瑞典皇家科學(xué)院于諾獎揭曉時稱，這三位科學(xué)家所取得的成就促進(jìn)了拓?fù)浠瘜W(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，他們是納米技術(shù)第二波發(fā)展的開拓者。同為諾貝爾獎得主的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼早在1959年就預(yù)見到了這一點，他在1984年的一次有重要影響的演講中提到了在分子尺度上的設(shè)計和工程學(xué)問題。

大自然在生物體中產(chǎn)生有大量的分子機(jī)器，用來幫助在細(xì)胞周圍運(yùn)送各種物質(zhì)材料，構(gòu)建蛋白質(zhì)和分裂細(xì)胞等。相比之下，人工分子機(jī)器雖然仍顯簡單粗陋，但科學(xué)家們已經(jīng)開始構(gòu)想分子機(jī)器在未來的應(yīng)用。

“我們可以想象一下納米機(jī)器、微型機(jī)器人的應(yīng)用，例如，未來的醫(yī)生可將微型機(jī)器人注入病人的靜脈血管，協(xié)助醫(yī)生鎖定癌細(xì)胞或遞送藥物等。”費(fèi)林加博士在接受聚集在斯德哥爾摩的記者的電話采訪時說道。

這一技術(shù)還可能導(dǎo)致創(chuàng)建基于外部信號而改變屬性的“智能材料”。

獲獎科學(xué)家

索瓦日博士，現(xiàn)年71歲，出生于巴黎，1971年在法國斯特拉斯堡大學(xué)獲博士學(xué)位，目前為該大學(xué)名譽(yù)教授，并任法國國家科學(xué)研究中心研究部名譽(yù)主任。

斯托達(dá)特博士，現(xiàn)年74歲，出生于英國愛丁堡，1966年在愛丁堡大學(xué)獲博士學(xué)位，目前在美國西北大學(xué)任化學(xué)教授。他曾執(zhí)教于加州大學(xué)洛杉磯分校，因其為科學(xué)事業(yè)做出的貢獻(xiàn)被英國女王伊麗莎白二世封為爵士。

費(fèi)林加博士，現(xiàn)年64歲，出生于荷蘭巴格-康帕斯科姆，1978年在格羅寧根大學(xué)獲博士學(xué)位，目前在荷蘭格羅寧根大學(xué)任有機(jī)化學(xué)教授。

費(fèi)林加博士稱，當(dāng)他接到電話通知，說他獲得諾貝爾獎時，他的反應(yīng)是“有些震驚”。

“我覺得自己的情況與萊特兄弟有些相像，100年前他們成為了首次飛上天空的人類，但當(dāng)時有人質(zhì)疑，‘我們?yōu)槭裁葱枰獣w的機(jī)器？’但如今有了波音747，還有了空中客車。”他說。

分子機(jī)器的發(fā)明“開辟了一個全新的納米世界”。但作為能構(gòu)想出如何讓機(jī)器自主運(yùn)作的一名科學(xué)家，費(fèi)林加說，“我們還必須考慮如何安全地操縱這些機(jī)器。”

[資料來源：New York Times][責(zé)任編輯：彥隱]