“純化學(xué)”科學(xué)家研發(fā)最小“機器”

    近日，2016年諾貝爾化學(xué)獎在瑞典斯德哥爾摩公布 ，法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索瓦日教授、美國西北大學(xué)的弗雷澤·斯托達特爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費林加教授獲此殊榮，獲獎理由是“分子機器的設計與合成”。據介紹，它有望用于更精準的疾病檢測、藥物輸送，超高密度信息存儲、能量存儲，新材料、傳感器等眾多領(lǐng)域，應用前景不可限量。

　　什么是分子機器

　　據復旦大學(xué)化學(xué)系黎占亭教授介紹，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，分子機器是在分子水平上，由一個(gè)分子或幾個(gè)分子，通過(guò)分子的運動(dòng)，實(shí)現宏觀(guān)機器的運動(dòng)。

　　黎占亭介紹，第一位獲獎?wù)咦?/span>-皮埃爾·索瓦日教授的導師曾于1987年因“超分子化學(xué)”獲得諾貝爾化學(xué)獎。此次讓-皮埃爾·索瓦日教授的貢獻在于第一個(gè)在分子機器研發(fā)領(lǐng)域開(kāi)展工作。1983年，他通過(guò)配位作用，構建超分子結構，成功地將兩個(gè)環(huán)形分子連接起來(lái)，形成了一根鏈。一架機器要能執行任務(wù)，其各個(gè)組成部分之間必須具有相對運動(dòng)的能力，這兩個(gè)相互扣合的環(huán)形分子正好符合這個(gè)要求。

　　華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授、中科院院士田禾介紹，1991年，美國化學(xué)家斯托達特第一個(gè)提出“分子梭”概念，即在一個(gè)剛性棒狀分子上套一個(gè)分子大環(huán)——輪烷，分子大環(huán)能在分子棒上來(lái)回穿梭�！霸诮o予能量后，分子機器的各個(gè)模塊就會(huì )做相對運動(dòng)，像我們熟悉的機器那樣”。

　　第三位獲獎?wù)卟�納德·L·費林加教授則是研究出分子馬達的第一人，在光控單分子馬達領(lǐng)域有開(kāi)創(chuàng )性的工作。田禾介紹，費林加合成的是“分子馬達”，它有一個(gè)固定基座，位于基座上部的分子會(huì )做360度定向轉動(dòng)，與宏觀(guān)世界的機械馬達很像。1999年，他研究出分子旋轉葉片。利用分子馬達，他讓一個(gè)比馬達大上1萬(wàn)倍的玻璃杯成功旋轉。

　　“今年獲得諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家研制出了三種分子機器，其狀態(tài)各不相同。他們的開(kāi)創(chuàng )性工作讓人類(lèi)認識到，可用分子為材料，設計、建造微觀(guān)世界的機器�！碧锖陶f(shuō)。

　　分子機器有何意義和應用價(jià)值

　　分子機器的問(wèn)世有什么意義和應用價(jià)值？田禾說(shuō)，生物體內的很多活動(dòng)，其實(shí)都有賴(lài)于分子機器的運轉�？茖W(xué)家研究細胞分裂、DNA復制、物質(zhì)運輸、肌肉收縮等生命活動(dòng)，追溯到分子層面后，發(fā)現它們都是眾多分子機器做功的結果。因此，化學(xué)家可以和生命科學(xué)家合作，通過(guò)設計、合成分子機器來(lái)模擬各種生命現象。

　　分子機器還能用來(lái)存儲信息，構建神奇的“分子計算機”。2007年，斯托達特帶領(lǐng)團隊研制出一種能超高密度存儲信息的分子芯片，其存儲密度達到了2020年硅基芯片的水平。華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授曲大輝解釋說(shuō)，硅基芯片的信息存儲密度遵循摩爾定律(在價(jià)格不變情況下，集成電路上可容納的元器件數目和性能，每隔18—24個(gè)月會(huì )提高1倍)，但這個(gè)定律會(huì )遇到發(fā)展瓶頸，而分子芯片能實(shí)現分子尺寸上的信息存儲，所以不遵循摩爾定律，在存儲密度上能大幅超越硅基芯片。

　　諾貝爾獎評審委員會(huì )指出，目前，分子機器處在概念應用階段，盡管“分子機器”目前還沒(méi)有實(shí)際的應用，未來(lái)它會(huì )怎樣改變人類(lèi)的生活？據介紹，它有望用于更精準的疾病檢測、藥物輸送，超高密度信息存儲、能量存儲，新材料、傳感器等眾多領(lǐng)域，應用前景不可限量。

（來(lái)源：解放日報）