2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

姚旭陽

摘要：介紹了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，分子機(jī)器領(lǐng)域的發(fā)展簡(jiǎn)史、研究進(jìn)展與現(xiàn)狀、對(duì)未來前景的展望，以及這一研究領(lǐng)域的科學(xué)意義和啟迪。

關(guān)鍵詞：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；分子機(jī)器；超分子化學(xué)；非平衡體系

文章編號(hào)：1005–6629（2016）12–0003–08 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2016年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)定委員會(huì)宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予來自法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的Jean-Pierre Sauvage，美國(guó)西北大學(xué)的J. Fraser Stoddart以及荷蘭羅格寧根大學(xué)的Bernard L. Feringa三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器的設(shè)計(jì)與合成領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)。很多人認(rèn)為這是繼1987年Jean-Marie Lehn等人獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)后超分子領(lǐng)域的梅開二度，使得超分子領(lǐng)域的科學(xué)家們備受鼓舞。但也有一些科學(xué)家認(rèn)為，此次分子機(jī)器獲獎(jiǎng)，實(shí)屬爆了一個(gè)冷門。與同是候選的鋰電子電池技術(shù)、CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)以及RAFT/ATRP高分子自由基聚合技術(shù)相比，分子機(jī)器作為一項(xiàng)基礎(chǔ)研究仍處于初級(jí)階段，距離可預(yù)見的實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。那么，為何該領(lǐng)域能夠榮膺諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)？什么是分子機(jī)器？其科學(xué)意義何在？我們又能從中得到什么啟示呢？

1 分子機(jī)器的發(fā)展簡(jiǎn)史

隨著分子生物學(xué)的日益發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在眾多生命體系的微觀尺度下，存在著很多渺小的但功能獨(dú)特的生物機(jī)器，它們或能吸收、轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存外界能量，或能消耗儲(chǔ)存的能量來完成各種復(fù)雜的生命功能。比如，葉綠體整體作為一個(gè)光合作用“工廠”，內(nèi)部存在著許多功能各異的生物機(jī)器，在它們的配合下，葉綠體完成光合作用的各道工序，實(shí)現(xiàn)光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)變。又如核糖體能夠翻譯RNA中存儲(chǔ)的信息將其“翻譯”成具有多種功能的多肽，細(xì)胞膜上的載體蛋白能夠完成逆濃度梯度的主動(dòng)運(yùn)輸。大自然造物主向人們展示著一個(gè)又一個(gè)精巧的生物機(jī)器，每一個(gè)都足以藐視人類現(xiàn)在所擁有的任何一臺(tái)納米機(jī)器。但是人們從遠(yuǎn)古時(shí)代起，似乎就從沒有簡(jiǎn)單地臣服于大自然。我們能向她學(xué)到什么？能否利用從她那兒學(xué)到的知識(shí)，去探究生命的起源、解答生命的奧秘，或?qū)诡B疾、提高生命的質(zhì)量？那么，是不是可以從合成一臺(tái)與生物機(jī)器類似的分子機(jī)器開始？

分子機(jī)器設(shè)想的提出，可以追溯到上世紀(jì)中葉。1959年，在美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上，著名物理學(xué)家費(fèi)曼Richard Feynman（于1965年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）提出，能否通過原子制造出一臺(tái)極微小的機(jī)器，實(shí)現(xiàn)諸如分子汽車一樣的人造機(jī)器。“我們可以把機(jī)器做到多小？”Feynman提出的一系列原理性問題以及對(duì)分子機(jī)器的大膽設(shè)想，為人們構(gòu)筑分子機(jī)器提供了最初的靈感。

時(shí)至今日，分子機(jī)器已經(jīng)有了一個(gè)比較完善的定義：分子機(jī)器是由一定數(shù)量的分子組裝而成的，能夠在外界適當(dāng)?shù)拇碳は拢ㄝ斎耄龀鲱愃茩C(jī)械運(yùn)動(dòng)（輸出）的分子組裝體。分子機(jī)器通常需要能量來驅(qū)動(dòng)，因而需要適當(dāng)?shù)哪芰抗┙o。比較經(jīng)典的分子機(jī)器和機(jī)器部件有分子纏結(jié)、分子開關(guān)、分子電梯、分子肌肉、分子剪刀、分子馬達(dá)、分子泵、分子汽車等（圖1）[1]。

在構(gòu)筑一個(gè)復(fù)雜的分子機(jī)器的過程中，科學(xué)家們往往需要利用多種多樣的分子組件，進(jìn)而構(gòu)筑具有一定功能的組裝體。就好比我們要制造一輛汽車，需要各種各樣的零件，如軸承、齒輪、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)等等。因此，設(shè)計(jì)并通過有機(jī)合成來制備具有精巧結(jié)構(gòu)并能夠產(chǎn)生相互作用的分子組件，是分子機(jī)器領(lǐng)域一個(gè)重要的基礎(chǔ)課題。

構(gòu)筑分子機(jī)器的早期研究，得益于兩項(xiàng)重要的技術(shù)發(fā)展。其中之一是拓?fù)淅p結(jié)（topological entanglement）的提出，也就是所謂的機(jī)械鍵（mechanical bond）；其二是可異構(gòu)的不飽和鍵方面的研究。在這些方面，三位諾獎(jiǎng)得主分別做出了開拓性的重要貢獻(xiàn)。

1.1 拓?fù)淅p結(jié)與機(jī)械鍵

Jean-Pierre Sauvage的主要貢獻(xiàn)集中在利用機(jī)械鍵來構(gòu)筑機(jī)械互鎖分子（mechanicallyinterlocked molecular architectures）方面。機(jī)械互鎖分子概念的提出是分子機(jī)器發(fā)展過程中的重要一步，這完成了從研究分子本身到研究分子與分子之間的關(guān)系的飛躍，因而實(shí)際上這也是超分子化學(xué)中的重要進(jìn)步。在這些結(jié)構(gòu)中，各個(gè)分子之間并不是通過共價(jià)鍵鏈接在一起，而是相對(duì)獨(dú)立地通過環(huán)和環(huán)互穿在一起（索烴，就好比兩個(gè)鑰匙扣套在一起），或者是通過環(huán)穿在兩端有阻擋基團(tuán)封端的桿上（輪烷，就好比算盤上的一根桿和珠子）。互穿在一起的分子雖然在結(jié)構(gòu)上“連接”在了一起，但相對(duì)之間能夠自由地運(yùn)動(dòng)，只有打破某個(gè)分子用于成環(huán)的共價(jià)鍵，這個(gè)互鎖的結(jié)構(gòu)才會(huì)被破壞。在研究初期，合成這些機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)是相當(dāng)困難的，科學(xué)家們往往要通過多步復(fù)雜的反應(yīng)才能得到相應(yīng)的產(chǎn)物，而且通常產(chǎn)率很低。直到1983年，Jean-Pierre Sauvage等人率先提出了通過模板合成的方法，他們通過金屬配位，顯著地提高了制備索烴和輪烷的產(chǎn)率（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)極大地加速了拓?fù)浠瘜W(xué)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，化學(xué)家們合成了多種多樣的拓?fù)淅p結(jié)結(jié)構(gòu)，例如Sauvage等合成了三葉草結(jié)[3]、索烴、所羅門結(jié)等更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖3），這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生為分子機(jī)器的出現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著對(duì)索烴研究的進(jìn)一步深入，Sauvage等人發(fā)現(xiàn)可以借助索烴的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平移異構(gòu)（translational isomerism）。他們通過金屬Cu（I）的配位與解離實(shí)現(xiàn)了索烴結(jié)構(gòu)的可逆變化，通過外界控制銅離子的配位與解離，索烴結(jié)構(gòu)中的鄰二氮雜菲能夠產(chǎn)生明顯的距離變化（11？）[4]。

而同時(shí)推動(dòng)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)這次巨大飛躍的，正是另一位諾獎(jiǎng)得主，來自美國(guó)西北大學(xué)的James Fraser Stoddart，他的課題組在1991年發(fā)表的文章中更為清晰地向人們展示了平移異構(gòu)現(xiàn)象[5]。從20世紀(jì)80年代起，Stoddart課題組就開始用基于模板的方法來合成機(jī)械互鎖分子，其利用的是基于富電子和缺電子的芳環(huán)之間的相互作用力。他們研究并發(fā)展了一個(gè)基于雙甲基紫精環(huán)番的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠套在一個(gè)含有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)（對(duì)苯二酚單元）的軸上，通過大位阻基團(tuán)將軸的兩端封端，這樣就能夠以較高的產(chǎn)率得到[2]輪烷（圖4）。最終得到的輪烷是一個(gè)可以在軸向上實(shí)現(xiàn)環(huán)番在兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)之間移動(dòng)的分子梭。這項(xiàng)工作同Sauvage可逆索烴形狀移動(dòng)的工作一起，標(biāo)志著拓?fù)淅p結(jié)在分子機(jī)器發(fā)展過程中應(yīng)用的開端。

1994年，Sauvage和Stoddart課題組均通過引入不對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了外部調(diào)控的機(jī)械互鎖分子的平行移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)移動(dòng)[6，7]。Stoddart課題組在輪烷的軸上引入了兩個(gè)不同的π-電子供電子單元，即聯(lián)苯胺和聯(lián)苯酚基團(tuán)，通過包括電化學(xué)氧化/還原循環(huán)或是pH的變化等能量的輸入，驅(qū)動(dòng)雙甲基紫精環(huán)番在兩個(gè)位點(diǎn)之間發(fā)生移動(dòng)。而Sauvage課題組則設(shè)計(jì)了一個(gè)索烴結(jié)構(gòu)，在其中一個(gè)環(huán)上設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同的配位位點(diǎn)，即鄰二氮雜菲和三聯(lián)吡啶單元，而在另一個(gè)環(huán)上保留一個(gè)鄰二氮雜菲單元，通過對(duì)中心配位銅離子的電化學(xué)氧化還原循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。

緊隨著這些突破性的發(fā)現(xiàn)，在之后的幾年中，這些課題組設(shè)計(jì)、合成并表征了其他種輪烷、索烴體系。比如1996年，Sauvage課題組報(bào)道了通過電化學(xué)控制平移的擬輪烷；Sauvage課題組與 Stoddart課題組合作報(bào)道了可控旋轉(zhuǎn)的索烴。同年，Stoddart課題組又報(bào)道了通過化學(xué)控制穿入/脫出的擬輪烷器件。1997年，Sauvage課題組報(bào)道了可通過電化學(xué)或光化學(xué)誘導(dǎo)的可控旋轉(zhuǎn)，1999年，Sauvage課題組報(bào)道了電化學(xué)誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的輪烷。2004年，光化學(xué)與熱控制旋轉(zhuǎn)的索烴體系也先后問世。

自20世紀(jì)90年代以來，該領(lǐng)域面向應(yīng)用方面的嘗試在Sauvage、Stoddart兩個(gè)課題組以及其他研究者的共同努力下飛速發(fā)展。2000年，Sauvage課題組報(bào)道了一個(gè)合成上極具挑戰(zhàn)性的雛菊鏈結(jié)構(gòu)（其形狀很像現(xiàn)實(shí)生活中精美的雛菊手鏈，分子中的每一個(gè)環(huán)狀分子就像手鏈上的每一朵雛菊），這為化學(xué)調(diào)控分子收縮/伸展提供了實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了類似生命體中肌肉的動(dòng)作（圖5）[8]。通過整合兩種相互交錯(cuò)的輪烷官能團(tuán)，它們能夠在化學(xué)刺激下實(shí)現(xiàn)高度可控的近2nm的平移收縮和伸展。

類似地，Stoddart課題組于2004年設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的“分子電梯”輪烷器件（圖6）[9]。在這個(gè)“分子電梯”中，一個(gè)平板能夠在兩個(gè)間隔0.7nm的層間可控移動(dòng)，經(jīng)估算，該過程中展現(xiàn)出的力最大可達(dá)200pN。此外，在2005年，Stoddart課題組報(bào)道了一個(gè)類似肌肉的分子觸發(fā)器，他們用一個(gè)[3]輪烷結(jié)構(gòu)來控制彎曲一個(gè)薄的金懸臂，通過將大環(huán)組件固定在金表面，同時(shí)讓部分自由移動(dòng)，便能夠?qū)崿F(xiàn)分子高達(dá)2.8nm的收縮和伸展，金表面大量的機(jī)器一起工作，能夠在收縮的情況下使金懸臂彎曲大約35nm，據(jù)估算每個(gè)分子大約貢獻(xiàn)了10pN的力。

另外，Stoddart課題組抱著構(gòu)建分子邏輯門和信息存儲(chǔ)功能的設(shè)想，希望在輪烷和索烴的基礎(chǔ)上發(fā)展分子規(guī)模的電子器件。在證明了這些體系的可能性并解決了一些初步的挑戰(zhàn)之后，2007年，他們研究得到了具有記憶功能的輪烷器件。該輪烷安裝在兩個(gè)電極之間，并能夠?qū)懭氲碾娢划a(chǎn)生響應(yīng)，從而在非擾動(dòng)的電位下讀出開和關(guān)兩種狀態(tài)。該裝置每bit有幾百個(gè)輪烷，擁有約100Gbit每平方厘米的密度，能夠?qū)崿F(xiàn)16K bit的記憶存儲(chǔ)。

2006年，Stoddart課題組提出了光驅(qū)動(dòng)線性分子馬達(dá)的原型機(jī)。他們?cè)谳喭榻Y(jié)構(gòu)中軸向引入了一個(gè)光敏劑和兩個(gè)不同的甲基紫精官能團(tuán)，通過循環(huán)的光激發(fā)-電子轉(zhuǎn)移-電荷重組，一個(gè)環(huán)番環(huán)能夠重復(fù)地在兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)間移動(dòng)。該裝置的運(yùn)行頻率在大約1000Hz，具有大約3×10-17瓦特的能量。最近，Stoddart課題組利用輪烷結(jié)構(gòu)，通過反復(fù)的氧化還原的響應(yīng)，大環(huán)結(jié)構(gòu)能夠不可逆地在軸上穿過，實(shí)現(xiàn)了濃度梯度的產(chǎn)生。

1.2 可異構(gòu)的不飽和鍵

在分子機(jī)器發(fā)展的過程中，與機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)一樣具有重大理論意義的還有可異構(gòu)的不飽和鍵的發(fā)展。我們知道，發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)器的心臟，正是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換，為機(jī)器的運(yùn)作提供了能量。而對(duì)于分子機(jī)器而言，必定也有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為其提供能量并驅(qū)動(dòng)它們離開平衡態(tài)，這就是分子馬達(dá)。在這個(gè)方向上，科學(xué)家們?cè)M(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，他們嘗試設(shè)計(jì)了大量的分子來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。但實(shí)現(xiàn)可控的單向旋轉(zhuǎn)是這個(gè)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)，可控單向旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著該領(lǐng)域發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)性突破。而在這一方面做出重要貢獻(xiàn)的，便是第三位諾獎(jiǎng)得主，來自荷蘭羅格寧根大學(xué)的Feringa教授。

在分子機(jī)器早期的研究中，除了控制基于輪烷和索烴的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還有其他一些針對(duì)可控運(yùn)動(dòng)的研究，例如，控制單鍵的旋轉(zhuǎn)。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們研究了具有類似螺旋槳結(jié)構(gòu)的分子的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并在研究實(shí)例中證實(shí)了轉(zhuǎn)動(dòng)能壘的存在。接下來的10年中，科學(xué)家們繼續(xù)對(duì)可控的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行嘗試，這其中也包括基于拓?fù)浼m纏結(jié)構(gòu)體系的嘗試，但是他們中的大多數(shù)無功而返。直到1999年，F(xiàn)eringa教授首次報(bào)道了可控的單向轉(zhuǎn)動(dòng)的分子，而這一特性也正是分子馬達(dá)所應(yīng)該具備的基本性質(zhì)（圖7）[10]。實(shí)際上，這一分子馬達(dá)卻并不是通過可以自由旋轉(zhuǎn)的單鍵實(shí)現(xiàn)，而是通過不飽和的碳碳雙鍵的光異構(gòu)化來實(shí)現(xiàn)的。Feringa等人通過合理設(shè)計(jì)分子的不對(duì)稱性，通過所謂的“擁擠的烯烴”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了由光照和加熱來完成單向轉(zhuǎn)動(dòng)的分子馬達(dá)。

這一獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)無疑是分子機(jī)器發(fā)展過程中里程碑式的一步。Feringa等人不僅僅解決了如何通過光來驅(qū)動(dòng)分子級(jí)別的運(yùn)動(dòng)的問題，更解決了如何實(shí)現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動(dòng)這一分子馬達(dá)的核心問題。在接下來的發(fā)展中，F(xiàn)eringa課題組繼續(xù)研發(fā)了幾代分子馬達(dá)，相比初代分子馬達(dá)，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率得到了大幅度的提高。例如2014年，F(xiàn)eringa課題組報(bào)道了轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可以達(dá)到12MHz的分子馬達(dá)。

隨著基本原理的突破，分子機(jī)器領(lǐng)域也迎來了巨大的發(fā)展。例如，科學(xué)家們將分子馬達(dá)接到金表面，固定了分子馬達(dá)的底座，實(shí)現(xiàn)了在表面運(yùn)行的光驅(qū)動(dòng)螺旋槳。2006年，F(xiàn)eringa課題組將該分子馬達(dá)引入液晶膜中，通過光照驅(qū)動(dòng)了液晶膜內(nèi)微米尺寸的物體產(chǎn)生單方向的旋轉(zhuǎn)。2005年，他們研發(fā)了可以通過化學(xué)燃料來實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)。值得一提的是，該體系中馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以通過加入堿來控制向正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

而為了回應(yīng)文章開始Feynman提出的制作一輛極小的分子汽車的設(shè)想，F(xiàn)eringa課題組以實(shí)際行動(dòng)完成了回答。他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一個(gè)形如汽車的分子，這輛分子汽車由一個(gè)底盤和四個(gè)分子馬達(dá)組成（圖8）。在金表面上，這輛汽車能夠在光的驅(qū)動(dòng)下向可控的方向行進(jìn)[12]。

1.3 其他為分子機(jī)器發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的課題組

當(dāng)然，分子機(jī)器領(lǐng)域的研究進(jìn)展并不是完全由三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者完成的，一個(gè)科學(xué)前沿的發(fā)展必然需要來自世界各地的科學(xué)家們貢獻(xiàn)自己的智慧。除了三位獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家，還有很多來自不同國(guó)家的課題組為該領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。例如，意大利的Balzani課題組，在超分子光化學(xué)和光驅(qū)動(dòng)分子機(jī)器方面做出了重要貢獻(xiàn)。英國(guó)的David Leigh（師從Stoddart）在獨(dú)立開展研究工作之后，對(duì)分子機(jī)器的功能化方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。我國(guó)的田禾課題組，是國(guó)內(nèi)較早從事分子機(jī)器研究的課題組之一。2004年，他們報(bào)道了熒光表征的“可鎖”的光控分子機(jī)器，在國(guó)際上率先提出利用熒光來表征分子機(jī)器的不同狀態(tài)[13]。這就好比給分子汽車裝上了儀表盤，使得我們可以更方便地了解汽車的行駛狀態(tài)。正如Stoddart所言，這些科學(xué)家中沒有追隨者，他們中只有從傳統(tǒng)化學(xué)中走出來的發(fā)明家和創(chuàng)造者。

2 分子機(jī)器的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 從平衡走向非平衡

以上介紹的三位諾獎(jiǎng)得主的貢獻(xiàn)主要集中在20世紀(jì)80年代到90年代，當(dāng)然，Stoddart、Feringa課題組近期仍在分子機(jī)器領(lǐng)域相當(dāng)活躍，貢獻(xiàn)了很多有重要意義的研究成果。分子機(jī)器發(fā)展到今天，正如諾貝爾獎(jiǎng)致辭中所言，科學(xué)家們已經(jīng)將分子機(jī)器從平衡體系推動(dòng)到非平衡體系。可以說，分子機(jī)器從傳統(tǒng)的平衡體系發(fā)展到非平衡體系，才真正意義上踏上了實(shí)現(xiàn)其最初設(shè)計(jì)目的的征途。通過精巧的分子設(shè)計(jì)，在微觀的分子尺度，實(shí)現(xiàn)能量注入，進(jìn)而通過可控的分子運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，完成特定的功能。人們以往對(duì)于化學(xué)體系的認(rèn)知停留在平衡態(tài)，也就是眾多化學(xué)反應(yīng)最終將抵達(dá)的能量最低的“死寂”狀態(tài)。但是，以人體為例，卻正好與能量最低的“死寂”狀態(tài)顯著不同。我們通過進(jìn)食、消化吸收，從食物中獲取能量，而這些能量存儲(chǔ)在糖、脂肪中，在需要的時(shí)候轉(zhuǎn)化為ATP為身體內(nèi)的各種反應(yīng)提供能量，驅(qū)動(dòng)各體系遠(yuǎn)離平衡，到達(dá)更高的能量態(tài)。而我們體內(nèi)的生物分子利用這些能量完成各種必要的生命活動(dòng)來維持我們身體的正常運(yùn)作。總的來講，我們的身體一直處于一個(gè)高能的但是整體有序的非平衡狀態(tài)，如果我們身體整體到達(dá)了平衡狀態(tài)，那也就意味著死亡的來臨。

正如前文所提分子機(jī)器與超分子化學(xué)頗有淵源一樣，分子機(jī)器從平衡態(tài)發(fā)展到非平衡態(tài)，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)耗散做功，與超分子化學(xué)中超分子自組裝體系從平衡體系到動(dòng)力學(xué)控制體系，進(jìn)而到最終的遠(yuǎn)離平衡的體系的發(fā)展有著相同的前進(jìn)途徑。我們知道，宏觀尺度的機(jī)器，例如蒸汽機(jī)可以通過燃燒燃料實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；電動(dòng)機(jī)可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而作為在分子層面的分子機(jī)器，在“燃料”方面與宏觀機(jī)器有著明顯不同。在化學(xué)體系中，能量的一個(gè)重要來源是化學(xué)能，也就是通過分子機(jī)器所在環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)（與宏觀的燃燒相比不同）來為機(jī)器的運(yùn)動(dòng)提供必要的能量。而為了提供化學(xué)能，就必須要有反應(yīng)物的輸入，以及產(chǎn)物的輸出。但是，正如我們?cè)诟咧谢瘜W(xué)中所學(xué)的一樣，一個(gè)封閉的反應(yīng)體系，反應(yīng)最終到達(dá)能量最低的化學(xué)平衡。這樣一來，機(jī)器就不能持續(xù)地運(yùn)動(dòng)，即便再加入過量的反應(yīng)物，平衡向正向反應(yīng)的進(jìn)程也會(huì)因產(chǎn)物濃度逐漸提高而受到抑制。因而，如果想實(shí)現(xiàn)化學(xué)能的不斷供給，就必須實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物（燃料）的持續(xù)加入和反應(yīng)產(chǎn)物（廢物）的有效去除。這樣一來，就必須實(shí)現(xiàn)有效的物質(zhì)流通（物質(zhì)流），但遺憾的是，就目前而言，在簡(jiǎn)單的體系中實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流還是很難達(dá)到的。人造體系并沒有發(fā)展到像生命體系那樣通過耗能的主動(dòng)運(yùn)輸來汲取能量，排出廢物。但是，具有更廣闊研究范圍的超分子化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們已經(jīng)著手開始以自組裝的方法來構(gòu)筑具有相應(yīng)功能的組裝體。

當(dāng)然，除了物質(zhì)流，目前還有一種最簡(jiǎn)單的方式來為分子機(jī)器提供能量，那就是光。光子是一種玻色子，是自然界中傳遞作用力的基本粒子之一，但是它不是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。而且，通過光子引發(fā)的反應(yīng)，并不遵循微觀可逆原則。這也就意味著，通過光，我們可以給分子機(jī)器供給能量，但是光卻不會(huì)給體系引入代謝廢物。這樣一來，就避免了物質(zhì)流無法實(shí)現(xiàn)的問題。Feringa的分子馬達(dá)，即是通過光來實(shí)現(xiàn)能量的供給的。又如意大利的Balzani，Credi課題組，也是利用光來驅(qū)動(dòng)分子機(jī)器。2015年，Credi課題組報(bào)道了第一例通過光來驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝分子機(jī)器，這也是近期分子機(jī)器發(fā)展的標(biāo)志性工作之一[14]。

2.2 從“有趣”到功能化

在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)的現(xiàn)場(chǎng)采訪中，有記者問Feringa，未來你們的小車或者電梯能運(yùn)送貨物么？比如將藥物分子運(yùn)送到靶向位點(diǎn)？Feringa的回答是肯定的，只要能先做到控制方向，這一切在未來皆有可能。在早期的基礎(chǔ)研究方面，科學(xué)家們創(chuàng)造了奇奇怪怪的分子機(jī)器或者機(jī)器的部件，它們大多有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、有趣的性質(zhì)。但是，分子機(jī)器不能止步于單純的有趣。目前，越來越多的研究正趨向于將分子機(jī)器功能化。

這其中，David Leigh就通過實(shí)例回答了記者，運(yùn)輸貨物是可能的。2010年，David Leigh教授的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了首例通過人工合成的能夠在線性的分子軌道上定向行走的小分子體系[15]。而他們?cè)?013年更進(jìn)一步，設(shè)計(jì)并合成了能夠運(yùn)載氨基酸并將氨基酸合成有序結(jié)構(gòu)的分子機(jī)器。他們通過1018個(gè)相同的分子機(jī)器同時(shí)工作，首次用“人工分子工廠”合成了毫克級(jí)別的、序列單一的多肽分子（圖9）[16]。這一工作是將分子機(jī)器功能化的杰出體現(xiàn)。

2.3 從微觀走向宏觀

可能有很多人會(huì)問，分子肌肉真的能像我們身上的肌肉那樣收縮和拉伸么？最近幾年，已經(jīng)有課題組將分子機(jī)器引入到凝膠體系中，通過微觀的分子機(jī)器運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)了功能性材料宏觀尺度的變化。例如，2016年，日本的Harada課題組將光響應(yīng)的雛菊鏈?zhǔn)椒肿訖C(jī)器與偶氮苯結(jié)合，制備入水凝膠體系中，實(shí)現(xiàn)了通過紫外光控制凝膠的定向彎曲[17]。他們還利用該凝膠在紫外光的照射下夾起物品來實(shí)現(xiàn)機(jī)械做功。Stoddart在2016年為ChemPhysChem超分子專刊撰寫的綜述中寫道：“未來，我們需要直面的問題是尺寸、強(qiáng)度、重現(xiàn)性和效率。縱然，我們可能面對(duì)各種尺寸下可能的應(yīng)用，但是我們確實(shí)應(yīng)當(dāng)花更多的時(shí)間和精力研究一下如何通過集合效應(yīng)和放大效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器在具有外界實(shí)體的情況下有效的遠(yuǎn)離平衡進(jìn)而做功。”

3 分子機(jī)器的前景與展望

3.1 做有用功

盡管在科學(xué)家們不懈的努力下，分子機(jī)器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單向的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠在光或者化學(xué)能的驅(qū)動(dòng)下耗散能量而將體系推動(dòng)到非平衡態(tài)，但是，這距離生命體中的機(jī)器仍具有很大的差距。生命體依靠高能態(tài)再進(jìn)一步做功來完成各種生命過程，而在目前人工合成的分子機(jī)器中，還沒有能夠進(jìn)行有效做功的實(shí)例，它們只能夠?qū)崿F(xiàn)從低能態(tài)到高能態(tài)的轉(zhuǎn)變，然而所形成的某種化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度，或從高能態(tài)回到低能態(tài)時(shí)候釋放的能量，并沒有做出具有實(shí)際意義的功。2016年舉辦的Golden Research Conference中，分子機(jī)器領(lǐng)域的科學(xué)家們討論的一個(gè)關(guān)鍵問題，便是分子機(jī)器在未來應(yīng)用方面能有什么突破性的進(jìn)展。

3.2 分子計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)微型化已為人們的工作、學(xué)習(xí)和生活提供了極大的便利，現(xiàn)今可穿戴設(shè)備的迅速發(fā)展要求電子設(shè)備越來越小型化、低功耗。但是，計(jì)算機(jī)制造業(yè)中使用的硅芯片已經(jīng)到達(dá)其物理極限，體積無法再小，通電和斷電的頻率無法再提高，耗電量也無法再減少。同時(shí)受限于現(xiàn)在制備工藝的限制，將器件做得越小，所需要的工藝就越高。如果能夠利用分子來進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，將極大地提高單位體積的計(jì)算、儲(chǔ)存效率，并且分子計(jì)算機(jī)的能耗必然大大降低，將極大地延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。實(shí)際上，科學(xué)家們已經(jīng)成功研制了基于碳納米晶體管的計(jì)算機(jī)原型機(jī)。而隨著該技術(shù)逐漸成熟我們當(dāng)然會(huì)繼續(xù)問，下一步，你們是不是可以做得更小些？

3.3 納米機(jī)器人

我們可能在科幻小說中讀到過，或者自己幻想過，如果通過分子機(jī)器構(gòu)造出微小的納米機(jī)器人，是不是可以通過它們?cè)谌梭w內(nèi)完成特定的功能，比如清除病毒、運(yùn)載藥物、修復(fù)器官破損等。人類的制造水平目前尚不能達(dá)到制造微小機(jī)器的層次，而“自下而上”的自組裝則是解決這一問題的可行途徑之一。在這方面，基于DNA分子的一些納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠完成諸如運(yùn)載藥物靶向進(jìn)入病毒的功能。但是，目前這類所謂的機(jī)器無法通過消耗能量做功，也就意味著還不能完成一些“主動(dòng)”任務(wù)。從前文的敘述中，我們要認(rèn)識(shí)到，分子機(jī)器顯著不同的特點(diǎn)就是，通過消耗外界提供的能量來完成做功。當(dāng)然，這一過程可以與具有生物同源性的DNA、蛋白質(zhì)結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生生物適應(yīng)性良好的機(jī)器分子。

4 分子機(jī)器獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)意義與啟迪

1968年，比利時(shí)化學(xué)家Prigogine提出耗散理論，自此人們開始逐漸理解，非平衡才是有序之源。而如何能像生命體那樣，從微觀尺度上的遠(yuǎn)離平衡態(tài)中完成各種生命過程，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)宏觀的有序？分子機(jī)器從最小的分子尺寸上揭示了這一過程的可能性。這是非平衡理論、耗散理論在化學(xué)領(lǐng)域中的延伸，也是人類期望借助化學(xué)合成向生命體系模仿的實(shí)踐。

諾貝爾獎(jiǎng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是為人類帶來最大福祉：“For the Greatest Benefit to Mankind。”Sauvage、Stoddart和Feringa三位科學(xué)家所創(chuàng)造的分子機(jī)器的概念，就是人們通過化學(xué)合成模仿生命體系中邁出的重要一步，這將傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)合成帶入了一個(gè)嶄新的世界，而如何利用能量，如何去做有用功的理念也已經(jīng)深入超分子化學(xué)的許多研究分支，這無疑帶來了意義巨大的質(zhì)變。我們?cè)?jīng)見證過微型計(jì)算機(jī)技術(shù)為人類帶來的便利，而我們現(xiàn)在也正在目睹機(jī)器小型化能夠?yàn)槲覀儙淼囊磺锌赡堋Ｕ?9世紀(jì)30年代，當(dāng)科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里向世人炫耀那些能夠旋轉(zhuǎn)的曲柄和輪子的時(shí)候，可能他們自己也不會(huì)想到，這些奇奇怪怪的東西以后會(huì)發(fā)展出洗衣機(jī)、電風(fēng)扇還有食材加工機(jī)。是這三位科學(xué)家開拓了分子機(jī)器的原型機(jī)，正如當(dāng)年第一臺(tái)蒸汽機(jī)問世，一場(chǎng)轟轟烈烈的工業(yè)革命孕育其中一樣，在納米尺度、分子尺度上的科技革命也必定會(huì)給人類帶來無窮的裨益。

然而，正如獲獎(jiǎng)的Stoddart教授所言，分子機(jī)器領(lǐng)域作為一項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，其經(jīng)費(fèi)大多來自于政府資助，而當(dāng)下越來越注重實(shí)際應(yīng)用的研究氛圍極大地壓縮了這些基礎(chǔ)科學(xué)研究的經(jīng)費(fèi)資助。而與此同時(shí)，基礎(chǔ)研究耗時(shí)耗力，時(shí)下國(guó)內(nèi)一些急功近利的風(fēng)氣與之相悖，這也是該領(lǐng)域遇到的一個(gè)尷尬局面。Feringa在得獎(jiǎng)后的電話采訪中所說，“正如萊特兄弟當(dāng)年發(fā)明了飛機(jī)并且完成了第一次飛行一樣”。人們可能問，這有什么用？可能他們那時(shí)不會(huì)想象到若干年后，人們可以乘坐波音飛機(jī)跨越大陸與海洋。

最后，用Stoddart在2012年撰寫的評(píng)論文章中送給剛剛進(jìn)入科研工作的年輕人的一句話作為結(jié)束：如果你是一名二十幾歲致力于科研的化學(xué)工作者，我能給你的最有價(jià)值的建議是，不論你在做什么，請(qǐng)確保你正在解決化學(xué)中的一個(gè)“大問題”。縱使你會(huì)踏上一條前途未知的旅途，但這一過程會(huì)給你帶來無窮的驚喜，而你也終將認(rèn)為這一切經(jīng)歷都是值得的。

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