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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.
法国斯特拉斯堡大学的让-彼埃尔·索维奇（Jean-Pierre Sauvage）教授、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·斯图达特（James Fraser Stoddart）爵士以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加（Bernard L. Feringa）教授共享2016年诺贝尔化学奖,他们因在分子机器的设计和合成上的贡献而获奖.这让许多人不禁感慨,诺贝尔化学奖终于颁给了属于纯化学范畴的“分子机器”.此前历届诺贝尔化学奖都授予了交叉学科,比如生物化学和生物物理等.
简单来说,这是一个有关在分子层面微观尺度上设计机器的故事.这几位获奖人成功地将分子连在一起,开发出了只有头发丝千分之一粗细的“分子机器”,共同设计了包括分子电梯、分子马达、分子人造肌肉在内的各种分子机器.正如诺奖委员会所言：“他们掌握了在分子层面上控制运动的技术.”
分子机器的幻想
“分子机器”又称生物纳米机器,是在1959年作为纳米技术的概念被提出的.简单来说,“分子机器”就是在分子水平上,由一个分子或几个分子,通过分子的运动,实现宏观机器的运动.它主要由蛋白质等生物分子构成,具有小尺寸、多样性、自适应,以及仅依靠化学能或者热能驱动等其他人造机器难以比拟的性能,对促进生物学以及仿生学的发展具有重要意义.
早在1959年,当时著名的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）就大胆预测,在纳米尺度下打造机器是可能的,分子机器未来将会在纳米机器人操作手术和定位药物在人体内的输送方面起到关键作用.他说：“虽然这个想法听起来很疯狂,但是如果人们能够吞下一个纳米外科医生,这样的手术会很有意思.”他描绘道,只要把这个外科医生放进人体的血液中,它就能够抵达心脏,并且查看哪里出了问题,然后纳米机器人会拿出小刀,把不好的地方（比如肿瘤部位）切除.
费曼的想法很快在1966年美国的一部科幻影片《神奇旅程》（Fantastic Voyage）中得到了体现.影片讲述了一名科学家因脑血管遭到间谍破坏而命在旦夕,为了救他,5名美国医生乘坐飞船,在被集体缩小后注射进他的体内进行血管手术,完成任务后经眼睛逃出,从而拯救了他的生命.
50年后的今天,人们虽然仍然未能将科幻变成现实,但是很多人还在努力去证实费曼的预言,当然这个证明过程是漫长的.
索维奇研究出分子机器的雏形
在科学研究中,灵感常常来自完全不同的领域.让-皮埃尔·索维奇一开始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光化学分子模型之后,他突然发现这个模型与分子链的相似之处：一个核心离子周围缠着两个分子.这灵光一闪使得索维奇的研究方向大转,从而复兴了拓扑化学领域.
1983年,让-彼埃尔·索维奇踏出了分子机器研发的第一步.当时,他成功地将两个环形分子连接起来,形成一根链,并将其命名为“索烃”（Catenanes）.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.通常,分子是由共价键（原子共享电子）结合而成,但在“索烃”里它们是通过更自由的机械结合连接.机器要完成任务,必须要有相互之间能够相对移动的部件,这两个相互扣合的环形分子就能符合这个要求.
斯图达特向分子机器迈出第二步
詹姆斯·斯图达特小时候成长在苏格兰一个没有电也没有任何现代设施的农场,他用拼图游戏来打发时间.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的形状.
斯图达特在1991年完成了分子机器研发的第二步——利用分子间的互相吸引,研究出“轮烷”（Rotaxane）.他将一个分子环穿入一个细的分子轴,证明了环状分子能随轴运动.于是他得到了“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,环会在轴之间前窜后跳——就像一个微型梭）,在1994年做到了完全控制其运动,使得它不再只会自由随机移动.之后,他和他的团队以“轮烷”为研究基础,构建多种分子机器：分子电梯（2004年）,它可以将自己从表面上抬高0.7纳米；还有人造肌肉（2005年）,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十分微小,但是和“轮烷”芯片一比都要算是巨型了.我们相信分子计算机芯片能够像当年的硅片晶体管那样,给计算机技术带来又一次革命.
费林加是研究出分子马达的第一人
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.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20世纪90年代,该领域的研究者们作出了许多不同的尝试,但是最先取得突破的是荷兰人伯纳德·L·费林加.
1999年,费林加研究出分子转动叶片,成功地使叶片持续朝一个方向旋转,并保持此方向不变.分子由两个像旋翼叶片般的结构组成,由一对碳碳双键连接.每个叶片分别与一个*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,分子就按照相同方向旋转,就像一个“分子马达”一样.这被视作分子机器领域的标志性事件.
虽然第一个“分子马达”的速度并不快,但费林加还是成功用“分子马达”转动了比它大一万倍的玻璃杯.在2011年,研究组还制造了一个四轮驱动的“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.后来费林加的研究组对“分子马达”进行了优化,在2014年,使旋转速度达到了每秒1200万转.
在宏观层面上,如果数以亿计的分子机器共同协作,确实能够改变材料的某些宏观性质.比如能够根据光或化学信号进行伸缩的智能凝胶就可以用来制造可调节型镜片或传感器.费林加曾说,“我敢打赌,在未来5年之内,嵌入了分子开关的新型智能材料就会问世.”
迈向全新而充满活力的化学
所有的化学系统都会力图达到平衡,这是一种低能量状态,但这更是一种僵局.这些研究之所以能获得2016年的诺贝尔化学奖,很重要的一部分原因在于研究者驱动着分子系统远离了这种僵局.他们还开创出分子机器发展的道路,使分子的运动具有可控性,因此诞生的一系列化学结构,成为全世界研究者用于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.
从历史发展来看,“分子马达”和19世纪30年代的电动机何其相似,当时科学家们展示了各种各样的旋转曲柄和轮子,却没意识到这些东西将导致电车、洗衣机、风扇以及各种加工机器的产生.今天,分子机器很有可能在新材料、传感器以及储能系统的研发中得到应用.其中很重要的一个应用前景就在于分子机器人在生物体内的自动生成.比如针对病毒的机器人,可能会通过它的分子与特定的病毒相结合,向肿瘤部位集中运输药物.尽管这些发现都还仅限于实验室展示,但是科研人员正在挖掘这一技术潜力,并认为这些应用有能力真正改变人们的现实生活.
虽然现在的分子机器探索仍然处于婴儿期,实际应用仍然需要假以时日,但是2016年的诺贝尔化学奖获得者给我们制造分子机器奠定了坚实基础,使人类制造和设计分子机器成为现实.
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