汽车、电梯、马达、芯片,他们用分子造出显微镜才能看到的机器
——2016年诺贝尔化学奖解读
中国科技网-科技日报记者 聂翠蓉
本届诺贝尔化学奖似乎是物理奖的连续剧。为了更形象地解释本届诺贝尔奖的关键成果——将环状分子互锁成链状或结状结构的机械键(一种拓扑化学结构),诺贝尔组委会再次选用面包进行更形象的说明,他们拿出两个套在一起的面包圈,解释一对彼此独立但又相连的分子。
瑞典皇家科学院宣布将2016年度诺贝尔化学奖授予让-比埃尔索瓦、弗雷泽.斯托达特和伯纳德.费林加三位科学家,因为他们在“设计和合成分子机器”领域开创性研究,而这些研究的起点就是从机械键开始。
机械键让环状分子互锁相连
早在上个世纪50年代,为了创建更加高级的分子结构,一些化学家们开始尝试让环状分子互相连接成分子链,有人在描述如何让低聚硅氧烷和环式糊精互锁相连中首次正式提出机械键的概念。
分子间相互作用一般是通过不同分子内原子间共用电子形成强有力的共价键,但环状分子通过机械键相互作用,原子间并不直接相互作用,因此键力更“松散”,两个分子能够相互活动,构建出想要的分子机器。
机械键提出的最初十年,一些科研团队报道他们在实验室合成分子链,但因产量太低(只有反应物的百分之几)和方法太过复杂,始终无法达到实用需求。随后几年,该领域研究一直不见成效,许多科学家逐渐放弃,到80年代初,该领域可谓一片消沉。
但1983年的一个巨大突破完全扭转了局面:法国科学研究中心主任让-比埃尔.索瓦带领他的研究团队利用普通的铜离子,将两个分子环互锁成分子链,且形成分子链的分子占比达到了惊人的42%之多,分子链从此不再只是传奇,大步踏上功能化学行列。
与大多数研究一样,索瓦的这一成功也来自一个意外。他本来在从事光化学领域研究,重点研发能捕捉太阳能并催化化学反应的分子复合物,但当他建立了一种光化学活性复合物模型后,却意外发现一种分子链结构:两个分子围绕铜离子纠缠在一起。
这个发现让他完全改变了自己的研究方向。运用这个光化学模型,索瓦团队构建了能分别被铜离子吸引的环状分子和月牙状分子,他们先让一个月牙分子和一个环状分子与铜离子吸附,再让另一个月牙分子来与前面的月牙分子形成新的环状分子,这样两个环状结构就形成了分子链,最后再把铜离子移走。
索瓦将两个环状分子互锁相连的分子链取名为索烃,随后他和弗雷泽.斯托达特又基于索烃研发出三叶结、博罗环和所罗门结等具有文化象征意义的分子结构。但这些只是铺垫,2016年诺贝尔化学奖的主角是分子机器。
分子机器的预言成真
关于分子机器,著名的诺贝尔奖获得者理查德.费曼曾在1984年的一次演讲中指出,未来我们会用分子造出含有多个活动部件的机器,这种机器小到只能用电子显微镜才能看到,“我们可以用分子设计我们熟悉的所有机器。而且25到30年内,这种分子机器就会取得实际运用,但最先用的是什么机器,我不知道。”
费曼的预言似乎成真了。索瓦的索烃结构让他成功跨出了分子机器研发的重要第一步:索烃内机械键允许两个分子进行相对运动,满足了机器执行任务的基本条件。1994年,他的团队通过施加能量,成功让索烃内的一个环绕着另一个环按一定方式旋转。
斯托达特于1991年研发出一种名叫轮烷的分子结构迈出分子机器研究的第二步:将一个分子环串到一根分子轴上,并证明分子环能沿着分子轴像织布梭一样前后穿梭。1994年之后,斯托达特的研究团队基于轮烷研制出不同的分子机器,包括能将自己升高0.7纳米的分子电梯,能将一块超薄的金片弯曲的分子肌肉,以及能储存20000字节数据的分子芯片。现在的计算机晶体管结构已经很小了,但相比分子晶体管还是大得太多,分子芯片将像硅基晶体管一样给计算机技术带来革命性变化。
1990年代开始许多科学家开始竞相研制分子马达,但伯纳德.费林加,成为第一个冲过终点的科学家。1999年他研制出世界上第一个分子马达,并成功通过机械作用让一个分子马达的叶片沿着一个方向持续螺旋转动。这第一个马达转的并不快,经过不断优化,2014年他的分子马达转速已经达到每秒1200万转。
在后来的研究中,费加林团队还成功让比分子马达大一万倍的28微米长玻璃圆柱在分子马达的带动下转动起来,并设计出用四个分子马达当车轮的纳米轿车,能在车轮带动下沿着平面前进。
分子机器开创化学研究新局面
这些能获得诺贝尔奖这一至高荣誉的分子机器研究,打破了化学领域多年来尴尬的局面:让这一古老学科重获生机。分子马达可与1830年代的电动机相提并论,这些分子机器将广泛用于研发新材料、传感器和能源储存系统等领域。
首先,这些分子机器的研发可为全世界正在研发越来越高级化合物的科学家提供工具箱,比如2013年科学家成功以轮烷为基础开发出分子机器人,它能抓取氨基酸并将氨基酸连接起来形成新的蛋白结构。
还有科学家成功将分子马达与长链聚合物相连,当暴露在阳光下时,这些马达会将聚合物卷成杂乱的困状,通过这种方式把光能储存在分子中,有望研发出一种全新的电池。马达与聚合物缠绕也会让材料收缩,因此也能用来研制对光敏感的传感器。
