分子机器：应用“路漫漫”，但前景可期待

“我感觉有点像100年前首次飞上天的莱特兄弟。那个时候人们也在问,为什么我们需要一台飞行器?”得知获得2016年诺贝尔化学奖的消息后,伯纳德·费林加在接受媒体采访时展望了分子机器的未来,“你们可以想象某种纳米级别的能量转化器,一种微小的可以储存能量和运用能量的机器。它开启的是纳米机器的新世界。”

诺奖的青睐,也让人感到有些意外。国家纳米中心主任刘鸣华告诉科技日报记者,分子机器属于基础研究,目前在应用上还没有大的突破。一些人感慨,“没想到(诺贝尔奖)给得那么早”。

不过,诺贝尔奖的颁发,确实让分子机器这个离日常生活有些远的名词,进入了公众视野。

“分子机器是超分子化学的一个重要研究领域。”刘鸣华告诉科技日报记者,1987年,诺贝尔化学奖同样颁给了超分子化学,当时的得奖者之一莱恩,是本次诺贝尔化学奖得主之一让-皮埃尔·索瓦日的老师。这次,诺贝尔化学奖可谓“回归化学”,颁给了一项纯粹的化学研究。有人认为,超分子化学将迎来第二春。

分子开关、分子阀门、分子转轮……实际上,分子机器是个颇为形象的称呼。中科院化学所研究员陈传峰表示,分子机器是将宏观机器的概念引申至分子水平,指在合适的外界刺激下,可以执行类似机器运动的独立分子或分子组装体。驱动分子机器运动的能量可以是各种化学能,也可以是电能、光能等。通过分子和分子之间非共价相互作用力形成的结构固定的超分子组装体,再通过酸碱、离子、光、电等外界刺激,使分子之间发生相互运动,最终实现做功。

科学家们尝试从纳米尺度上“建造机器”。他们成为分子建造师,精心合成、设计与调控,让分子动起来。

陈传峰指出,制造分子机器在分子合成、实现机器多位点运动、实现机器单方向运动以及实现机器的多种刺激—响应问题上都存在难点。“目前的分子机器还只能模拟一些比较简单的运动。”陈传峰说,本次得奖的三位化学家,为分子机器设计出了基础的零部件,但如何改良、组装和实现不同功能,仍旧“路漫漫其修远兮”。

不过,分子机器及其所属的超分子化学,确实早已是一个备受关注的前沿热门领域。2005年,在庆祝《科学》创刊125周年之际,该刊公布了125个最具挑战性的科学问题,其中之一就是“我们能推动化学组装走多远”。2009年,《自然·化学》在其创刊号上着重探讨了未来化学发展的八大领域,其中之一就是分子机器。

“分子机器可以搭载药物,进行药物的定点精确释放;它还可以成为微小的存储单元,进行高密度存储。”刘鸣华说,未来的分子机器有可能实现宏观世界机器无法实现的功能。“诺贝尔奖的颁发,是对新概念的鼓励,也是对这一发展方向的认可。”

目前,国内已有不少团队在进行这方面研究。其实,三位获奖者和中国化学界交流可谓频繁。斯托达特受聘于天津大学,在天津大学有实验室和项目组。他和费林加也培养出了不少中国学生,其中一些已经回国从事相关研究。

陈传峰说,在分子机器领域,我国起步较晚,不过也在迎头赶上。随着国家对基础研究日渐重视,我国科学家也或将做出富有创新性的成果。