2016年诺贝尔化学奖:分子机器将在未来25-30年内出现

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。

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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。

在经历数年的停滞徘徊之后,很多人开始放弃希望,从1980年代开始,整个研究领域开始陷入低迷困境。然而这样的场景并未持续很久——1983年,一项重大的突破性进展出现了。借助普通的铜离子,一个由让-皮埃尔·索瓦领衔的法国研究组掌握了对分子的控制技术!

让-皮埃尔·索瓦与他的铜离子胶合剂

正如在研究工作中时常会出现的那样,启发往往来自一个完全不相关的领域。让-皮埃尔·索瓦的工作专长是光化学领域,该领域的化学家们关心的是合成某种分子化合物,期望其能够捕获太阳光中的能量并利用这些能量驱动化学反应过程。当让-皮埃尔·索瓦建立起一种这类化学物的模型之后,他突然之间意识到这类分子与分子链之间存在的相似性:两个分子围绕一个中间的铜离子交缠在一起。

这一发现让让-皮埃尔·索瓦的研究方向发生了重大转折。利用他的光化学化合物模型,他的研究组创建出一种环状以及一类新月状分子,并使其被铜离子吸引(图一)。在这一结构中,铜离子实际上提供了某种类似粘合剂的作用,将两个不相关联的分子联系到一起。紧接着,研究组利用化学方法将另外一个新月状分子粘合上去,从而用两个新月状结构拼接成另一个圆形分子,如此便得到了环形分子链中的第一个环。然后研究组撤走铜离子,因为后者已经达成了它的使命。

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在化学上,非常讲究反应效率,也就是说你投入的分子量与你最后合成得到的目标分子数量之间的比值。在此前的研究中,这样的比值一直很不理想,一般只能达到几个百分点。但借助铜离子的帮助,让-皮埃尔?索瓦的研究组将这一效率提升到了令人印象深刻的42%!突然之间,分子链研究已然不再只是满足好奇心的领域了。

借助这一革命性的方法,让-皮埃尔·索瓦重新为拓扑化学的研究领域带来了活力。该领域化学家们的主要工作就是将分子不断相互缠绕锁定(通常需要借助金属离子的帮助),构成越来越复杂的结构——从长分子链条到复杂的环节结构,不一而足。让-皮埃尔·索瓦和詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特爵士是这一领域的领军人物,他们的研究组合成了许多经典符号,如三叶形纽结、所罗门结或博罗梅安环(图二)。但是,2016年的诺贝尔化学奖的获奖成果并非这种美丽结构的合成,而是分子机械。

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迈向分子马达的第一步

让-皮埃尔·索瓦不久之后便意识到分子链(称为索烃:catenanes,源自拉丁文的‘锁链’一词:catena)并非仅仅是一种新型分子,并且自己实际上已经迈出了通往构建分子机器的第一步。为了让机器能够实现其功能,它必须包含数个能够相互协调工作的部件。而两个相互勾住的分子环是可以满足这样的条件的。在1994年,让-皮埃尔·索瓦的研究组成功合成出一种索烃,其中的一个分子环是可以受控方式旋转的,当施加外部能量时,它会围绕另一个环转动。这是非生物分子机器的第一个雏形。分子机器的第二个雏形则是由一个在苏格兰的一片没有电力供应也没有任何现代设施的偏远农场上长大的化学家完成的。

司徒塔特与轮烃

当詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特还是个孩子时,他家里没有电视,更没有电脑。于是他把大量时间花费在了做木工上,这样的经历锻炼了他日后作为一名化学家的一种能力:识别形状并判断它们之间如何才能组合到一起。他对化学感到着迷,他梦想成为一名分子艺术家——塑造新的形状,那些这个世界从未见识过的分子形状。当司徒塔特做出让他获得2016年诺贝尔奖的成果的同时,他同时也在利用化学性质创造能够相互吸引的分子方面取得进展。在1991年,他的研究组制造了一个开放的分子环,并且这个分子环是缺失电子的;另外他们还制造出一个长长的分子柱状物(或者说是一个“轴”),并且是电子富余的。当这两个分子在溶液中相遇时,缺失电子和富余电子的两个分子结构立即相互结合了。

下一步,研究组封闭了开放的分子环结构,这样就得到了一类被称作“轮烃”的特殊分子:环状分子结构与轴状分子结构的机械结合体。随后,司徒塔特利用分子环的自由性使其沿着轴移动。当他对该结构加热时,这个分子环开始在富余电子的轴两端之间前后跳动,就像缝纫机的梭子(图三)。在1994年,司徒塔特已经能够做到对其运动状态的完全控制,从而打破了化学体系中原先占据主导的随机性。

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分子电梯、微型肌肉和微型芯片

从1994年之后,司徒塔特的研究组利用多种不同的轮烃制造出大量不同的分子机器,包括一台电梯(2004年,图四),其上升高度可达到0.7纳米左右;一种人造肌肉(2005年),这种用轮烃构成的“分子肌肉”成功地弯折了一片很薄的黄金薄片。通过与其他研究者合作,司徒塔特还开发出一种基于轮烃,内存为20kB的计算机芯片。如今用于计算机芯片上的晶体管体积非常小,但如何和这种分子层面的“晶体管”对比的话那简直就是庞然大物。研究人员相信这种分子芯片技术或许在未来将有望颠覆现有的传统计算机芯片技术,基于硅晶片的晶体管技术将会消亡。

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让-皮埃尔·索瓦同样对轮烃的潜力进行了研究。在2000年,他的研究组成功地将两个环状分子连接在一起,形成一种有弹性的结构,让人联想到人类的肌肉纤维(图五)。他们还研制出能够与马达相联系的结构,在这种特殊结构中,轮烃的一个环能够沿不同方向转动。在分子工程领域,创造出能够持续不断沿着同一方向转动的分子马达一直是一个重要的目标。在1990年代人们曾经做过很多尝试,但第一个闯过这道关卡是人则是荷兰的伯纳德·费灵格。

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费灵格制造了第一个分子马达

与司徒塔特一样,费灵格从小在农场长大,后来被拥有无限创造机会的化学所吸引。正如他在一次采访中所表述的那样:“也许化学的力量不仅仅是理解,还有创造,创造那些从未存在过的分子和物质……”

1999年当费灵格制造出第一个分子马达时,他利用了一些巧妙的技巧让它在同一个方向旋转。通常情况下,分子的运动受偶然性支配。平均而言,一个旋转的分子向右和向左移动的次数是相等的。但是,费灵格设计的分子马达在机械构造上能向一个特定的方向旋转。

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当费灵格创造出第一个分子马达时,它在机械构造上能在一个特定的方向旋转。他的研究小组已经对马达进行了优化,现在的旋转速度可达到1200万转/秒。

该分子的组成物质可以被比作两个小的动叶片,两个脂肪化学结构与两个碳原子之间的双键相连接。一个甲基组被附加到每个动叶片上,这些动叶片像棘轮一样,迫使分子以同一方向旋转。当分子被暴露在紫外线光的脉冲下,一个动叶片围绕中间的双键跳了180度。然后,棘轮移动到指定位置。随着下一个光脉冲的带来,动叶片又跳了180度。持续下去,分子马达就会朝同一个方向旋转。

第一部马达的运行速度并不快,但费灵格团队对其进行了优化。2014年,其转速度达到了每秒1200万转。2011年,研究小组制造了一款四驱纳米汽车,一个分子底盘安装了四个马达(作为轮子)。当轮子旋转时,汽车机会前行。

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一个分子马达旋转一个小玻璃缸

在另一个引人注目的实验中,伯纳德·费灵格的研究小组利用分子马达旋转一个28微米长的玻璃缸(比分子马达大10000倍)。在实验中,他们把马达整合到液晶(一种拥有晶体结构的流体)中。但只有百分之一的液晶由分子马达组成,当研究人员开始旋转时,马达就改变了液晶的结构。当研究人员把玻璃缸放在液晶上面时,电机运动就带动了它的旋转。

建立一个分子工具箱

索瓦、司徒塔特和费灵格在研发分子机器过程中所采用的一些突破性步骤最终形成了一个化学结构工具箱,目前已被全世界研究人员在进行先进的化学结构创作时所采用。其中一个最突出的例子是一个可以抓取和连接氨基酸的分子机器人,于2013年基于轮烷而建造。

其他研究人员还将分子马达与长聚合物相连接,形成一个复杂的网络。当分子马达被暴露在光线中时,就会把聚合物吹成一个杂乱的管束。通过这种方式,光能量被储存在分子中。如果研究人员找到一种能获取这种能量的技术,则一种新型电池就将被开发出来。当电机将聚合物搅拌在一起时,材料就会收缩,这可以用于开发光反应传感器。

远离平衡——走向一个崭新且充满活力的化学

这项技术发展的一个重要组成部分是,研究人员推动了分子系统远离所谓的平衡。所有的化学系统都力求达到平衡,这是一种低级的能量状态,但也是一个僵局。以日常生活为例,当我们吃饭时,身体的分子从食物中提取能量,并推动我们的分子系统远离平衡,到更高的能量水平。然后,生物分子使用能量来驱动身体工作所需的化学反应。如果身体处于化学平衡状态,人类就会死亡。

就像生命分子一样 ,索瓦、司徒塔特和费灵格的人工分子系统执行一项受控任务。时间已经证明了小型化计算机技术革命所带来的影响,而我们也只是看到了机器小型化可能带来影响的初始阶段。从发展阶段来看,分子马达目前所处阶段相当于19世纪30年代的电子马达。当时,研究人员的想法还处于实验室阶段,并未想到后来会引发出电气火车、洗衣机、电风扇和食物处理器等。

因此,在费曼发表其极富远见的演讲32年之后,我们现在仍是只能继续猜测这项技术令人兴奋的未来发展前景。但是,我们现在已经能够回答最初的一个问题了——我们能够制造的最小的机器究竟有多小?至少比一缕头发小1000倍。

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