他們三位發明了世上最小的機器

瑞典皇家科學院10月5日宣布，將2016年諾貝爾化學獎授予讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加這三位科學家，以表彰他們在分子機器設計與合成領域的貢獻。

讓-皮埃爾·索瓦日出生在法國，目前在法國斯特拉斯堡大學工作；弗雷澤·斯托達特出生在英國，目前在美國西北大學工作；伯納德·費林加出生在荷蘭，目前在荷蘭格羅寧根大學工作。

瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松于當地時間11時45分（北京時間17時45分）在皇家科學院會議廳公布了獲獎者名單及獲獎成就。

分子機器是指在分子層面的微觀尺度上設計開發出來的機器，在向其提供能量時可移動執行特定任務。諾貝爾獎評選委員會在聲明中說，這三位獲獎者發明了“世界上最小的機器”，將化學發展推向了一個新的維度。

據介紹，三位獲獎者完成了分子機器設計與合成的“三步走”：第一步，索瓦日成功合成了一種名為“索烴”的兩個互扣的環狀分子，而且這兩個分子能夠相對移動；第二步，斯托達特合成了“輪烷”，即將一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環狀分子能圍繞這個軸上下移動，并成功實現了可以上升高度達0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；第三步，費林加設計出了在構造上能向一個特定方向旋轉的分子馬達，這個馬達可以讓一個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。有了這三步，分子機器就可以動起來了。

評選委員會表示，就像19世紀30年代，當電動馬達被發明出來時，科學家未曾想過它會在電氣火車、洗衣機、電風扇上等被廣泛運用。而分子機器正如當年的電動馬達一樣，未來很有可能將用于開發新材料、新型傳感器和能量存儲系統等。

費林加在現場電話連線時說，得獎消息令自己“很震驚”，同時感到榮幸。他表示，榮譽屬于全體科研合作者，大家的共同努力才成就了如此驕人的成果。費加林對其獲獎成就解釋說：“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發開啟了廣闊前景。”

今年諾貝爾化學獎獎金共800萬瑞典克朗（約合93.33萬美元），將由這三位獲獎者平分。

今年的“分子機器的設計和合成”獲獎，力壓了此前大熱的基因檢測和基因編輯。湯森路透此前預測，香港中文大學的盧煜明教授和麻省理工學院（MIT）的華裔科學家張鋒，是今年化學獎的大熱門。盧煜明因其在孕婦血漿血中檢測到胎兒游離DNA，從而取得了無創產前檢測的革命性成果。1983年生于河北省石家莊的張鋒，則因其在老鼠和人類細胞中應用CRISPR-CAS9基因編輯技術，而受到重視。

【焦點科普】

“分子機器”究竟是什么？

世界上存在小到只有千分之一頭發絲粗細的機器嗎？

這是一個關于科學家們如何將分子成功連接起來并設計出從微型電梯、微型發動機到分子肌肉的故事。

分子機器只有人類頭發的千分之一那么大。根據諾獎官網的介紹，這是“世界上最小的機器”，包括一部微型“起重機”，幾塊人工“肌肉”和微型“馬達”。

科學家是如何造出這個分子機器的呢？

所有的化學系統都力圖達到平衡態，可以減少能量消耗，但是這也會形成“僵局”。

就像人的生命一樣，人體內的分子可以從食物中獲取能量，進而推動人體的分子系統遠離平衡態，向更高水平的能量狀態發展，這樣人體才有可能利用這些能量推動肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學平衡態，人就會死亡。

三位科學家的研究促使分子系統擺脫平衡態，并能受控執行特定任務，為化學的發展開啟了一個新世界。

根據諾獎官網介紹，總共需要三步，這三步分別是由這三位科學家做出來的：

第一步 將兩個環狀分子連接在一起。

邁向分子機器的第一步是索瓦日于1983年實現的，他成功將兩個環狀分子扣在一起，形成一種名為“索烴”的鏈條。通常情況下，分子是由原子間共享電子對構成的強共價鍵連接而成，而“索烴”鏈上的分子間主要依靠相對較為自由的機械相互作用連接，不被任何價鍵連接。對于一個能夠完成特定任務的機器來說，必須有能夠相互移動的部件組成，而索瓦日實現了兩個互鎖環狀分子的相對移動。

第二步 利用一個分子推動另一個分子運動。

到了1991年，斯托達特實現了分子機器誕生的第二步，他成功合成了“輪烷”。輪烷是一個或多個環狀分子和一個或多個啞鈴狀的線形分子為軸組成的分子集合。啞鈴狀線形分子作軸穿過環狀分子的空腔，兩端結合有體積較大分子以防止線形分子滑出，從而形成了穩定的輪烷結構。

基于上述研究成果，斯托達特的研究團隊先后成功實現環狀分子在線形分子表面上升0. 7納米的“分子電梯”，用輪烷構成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開發出一種基于輪烷的計算機芯片，被認為將來有望顛覆傳統計算機芯片技術。

第三步 設計分子馬達。

費林加則是研發出分子馬達（分子發動機）的第一人。1999年，他研制了一個分子轉子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續旋轉。這個馬達可以讓一個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。2011年，費林加的研究小組在分子馬達的基礎上制造了一款四驅納米汽車，一個分子底盤將4個分子馬達連接在一起作為輪子，當分子馬達旋轉時，納米汽車就能向前行駛。

至此，分子機器動起來了。

近年來，三位諾獎得主的成果已經成為全世界科研人員開發分子機器的“工具箱”，開創了分子機器的發展道路。目前已有科學家在輪烷的基礎上建造出一個可以抓取并連接氨基酸的分子機器人；還有研究人員將分子馬達和長聚合物相連，形成復雜的網絡，將光能儲存在分子中，有望開發出新型電池及光控傳感器。

【花絮】

爆冷！化學獎終于頒給了化學家

就在這個獎項公布后不久，中科院化學研究所副研究員、中科院青年創新促進會理事梁福鑫在朋友圈寫下一條評論：“回歸化學！”什么意思？原來，近年來的諾貝爾化學獎屢被吐槽“所頒非人”。

梁福鑫認為，所謂“傳統化學”，指的是分子合成，以及與分子性質有關的化學研究。然而在過去10多年里，諾貝爾化學獎多次頒給涉及生物、物理、生物化學、生物物理、物理等領域的研究，其中生物的占比最高。甚至有人調侃，獲得化學獎的皆非化學家。比如去年諾貝爾化學獎得主的三位科學家試圖攻克的是“DNA修復機制的研究與突破”這一生物學世界難題。前年獲獎的是超分辨率熒光顯微鏡……

有人做過統計，進入21世紀，即從2001年開始，在過去已頒發的15年諾貝爾化學獎中，與生物相關的化學獎就達10次之多，而有機化學等傳統意義上的化學研究只有5次。

其實諾貝爾獎的發起人阿爾弗雷德·諾貝爾自己就是一名化學家?；瘜W獎是他在遺囑里提到的第二個獎項。

所以有評論稱，今年諾貝爾化學獎終于難得地頒給了純化學的研究，卻讓很多人認為是“冷門”。

本刊整理自新華社