2016诺贝尔化学奖

2016年诺贝尔化学奖:有关分子层面上设计机器的故事

2016年10月05日19:00

新浪科技讯北京时间10月5日消息，2016年度诺贝尔化学学奖刚刚揭晓！化学奖授予法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦

（Jean-Pierre Sauvage）、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（Sir J.Fraser Stoddart）以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费灵格（Bernard L.Feringa），以奖励他们“在分子机器的设计和合成”方面的贡献，他们将共同分享800万瑞典克朗（约合616万人民币）的奖金。

简单来说，这是一个有关在分子层面的微观尺度上设计机器的故事。这几位获奖人开发出了比人类头发丝直径还要小1000倍的分子机器。

他们的获奖在于成功合成了各类分子机器，从微型马达到微型汽车再到微型肌肉。正如一位诺奖委员会成员所言：“他们掌握了在分子层面上

控制运动的技术。”

分子机器

你能够将机器做到多小？这是杰出的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼（Richard Feynman）在他1984年那场著名演讲的开头提出

的一个问题。这个问题是基于他在上世纪1950年代对纳米技术发展的预测而提出来的。当时衣着随意的费曼转向现场的听众，然后问道：“现在让我们设想设计一种带有活动部件的机器，非常小的那种。”

费曼坚信有可能设计出一种机器，其尺寸可以抵达纳米尺度。因为这样的案例在自然界中已经存在了。他以细菌的鞭毛作为一个案例——有大分子组成的螺旋形外形，让它旋转起来时就能够驱动细菌前进。但是，人类有否可能用他们“巨大”的双手也制造出那种极小的，必须依靠电子显微镜才能观察的微型机器呢？

对未来的展望——分子机器将在未来25~30年内出现

对此一种可能的设想是我们先制造一双比我们自身的手更小的机

械手，然后用这双机械手再制造更小的机械手，然后再进一步制造更小的机械手，以此类推，直到这双手足够小，从而能够设计同样微小的机器。根据费曼的说法，这一设想曾经尝试过，但是没有成功。相比之下，费曼对另一种策略更有信心，那就是从下往上逐渐组装这种微型机器。在他的理论设想中，不同的物质，比如硅，被逐层喷洒在一个表面上，一层原子叠着另一层原子。随后将其中的某些层溶解或去除掉，如此便能够创建出某种能够用电流驱动的活动部件。

在费曼对未来的设想中，这种方式可以用来设计微型相机的光阀。费曼这场演讲的目的是想启发在场的听众，敦促他们去尝试他们能够做到的极限。当费曼最后合上他的讲义结束演讲的时候，他不无淘气地说：“…请各位好好享受重新设计一切生活中那些熟悉机器的美好时光吧，

看看你能否做到。再过25~30年，这一技术将会展现它的实用价值。但它具体是什么样的实用价值？我不知道。”

费曼不知道，当时在场的所有听众也不知道的是，通往分子机器道路的第一步已经迈出了，只是它并没有按照费曼所设想的那种路径发展。

机械锁定的分子

在20世纪中叶，作为开发更复杂分子结构努力的一部分，化学家

们开始合成一些分子链，其中一些环装分子被连接到了一起。成功做到这一点的人不仅将创造出一种美妙的全新分子，还将创造出一种全新的化学键。正常情况下，分子是由共价键牢牢连接到一起中，在共价键中，相邻原子之间会共享一部分电子。现在化学家们的设想则是创造一种机械键——分子之间相互处于机械锁定状态，而原子之间并不发生直接相互作用（图一）。在1950~1960年代，几个研究组均报告他们在实验室中合成了分子链，但是他们得到的量非常少，并且采用的方法极为复杂，应用价值非常有限。因此这样的进展更多被视作是某种对于好奇心的满足而非严肃的化学进展。