技术:2016年诺贝尔化学奖:有关分子层面上设计机器的故事

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新浪科技新闻北京时间10月5日刚刚公布年度诺贝尔化学奖！ 化学奖由法国斯特拉斯堡大学的让·皮埃尔·索瓦( jean-pierresauvage )、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特( sirj.fraserstoddart )、荷兰格罗宁根大学的贝尔

简单来说，这是用分子级微观尺度设计机器的故事。 这些获奖者开发了比人类头发丝直径小1000倍的分子机器。 他们的获奖是从小型马到小型汽车，再到小型肌肉，成功地合成了各种分子机械。 正如一位诺奖委员会成员所说，“他们掌握了在分子层面控制运动的技术。 ”。

分子机器

你能把机器缩小多少？ 这是1984年著名演讲的开头，优秀的美国物理学家、诺奖获得者理查德·费曼( richardfeynman )提出的问题。 是

还没有，只是，只是，只是，只是，只是，自然，只是，只是，因为，自然，这个，因为。 因为这个家伙也是

二

还没来得及制造出比我手小的机器人，在这方面，更小型，然后，，同样，也许在这个手足够小，能设计出同样的小型之前，制造出比我们自己更小的机器人，以下也一样。 田井

我也不知道。”

费曼对在场的所有听众都不知道，这是迈向分子机械之路的第一步，但没有按照费曼设想的路线迅速发展。

机械锁定的分子

在20世纪中叶，作为开发更多杂分子结构努力的一部分，化学家们开始合成一点分子链，其一点环装分子被连接起来。 成功的人不仅会产生很棒的新分子，也会产生新的化学键。 通常，分子通过共价键牢固地连接在一起，在共价键中，相邻原子之间共有一部分电子。 现在化学家们的构想是分子间处于相互机械锁定的状态，形成原子间不直接相互作用的机械结合(图1 )。 。 从20世纪50年代到20世纪60年代，一些研究小组报告在实验室合成了分子链，但他们得到的量非常少，同时使用的做法极多，应用价值非常有限。 只是认为这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里没有严重，不如说是严重。

没用，没用，没用，没用，没用。

尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是不得不尤其是尤其是不得不尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是尤其是手里的东西。

这个发现给让-皮埃尔·索瓦的研究方向带来了巨大的转变。 利用他的光化学模型，他的研究小组制作了环状及新月形分子，将其吸引到铜离子上(图1 )。 。 在这个结构中，铜离子实际上起着某种粘合剂的作用，连接两个不相关的分子。 接着，研究组用化学方法粘接另一个新月形分子，将两个新月形结构组合成另一个圆形分子，得到了环状分子链的第一环。 然后研究小组拆除了铜离子。 因为后者已经完成了它的使命。

在化学上，我们重视反应效率，即你投入的分子量与最后合成的目标分子数之比。 在迄今为止的研究中，这样的比一直不理想，通常只能达到百分之几。 但是在铜离子的帮助下让-皮埃尔？ 索瓦的研究小组把这个效率提高到了令人印象深刻的42%！ 突然，分子链研究不仅仅是满足好奇心的行业。

这种革命性的做法，让·皮埃尔·索瓦再次给拓扑化学研究行业带来了活力。 这个行业的化学家们的首要工作是不断地纠缠和锁定分子(一般需要金属离子的帮助)，从越来越多的复杂结构——长的分子链到很多复杂的环节结构，都是不够的。 让-皮埃尔·索瓦和詹姆斯·弗雷泽·斯图尔特爵士是这个行业的领袖，他们的研究组合了三叶形结、所罗门结、波罗缅环等多个经典符号(图2 )。 但是，去年诺贝尔化学奖的获奖成果不是这个美丽结构的合成，而是分子机器。

迈向分子马达的第一步

让-皮埃尔·索瓦不久发现分子链(索烃: catenanes，来自拉丁语的“链”一词: catena )不仅仅是新分子，迈出了构建分子机器的第一步。 机器为了实现其功能，必须包括几个相互协调运转的部件。 而且两个互相粘附的分子环可以满足这样的条件。 1994年，让·皮埃尔·索瓦的研究小组成功地合成了一个分子环以可控的方式旋转，在施加外部能量时绕另一个环旋转的索烃。 这是非生物分子机械的第一个雏形。 分子机械的第二雏形是由在没有苏格兰电力供应和现代设施的偏远农场长大的化学家制作的。

司徒塔特和轮烃

詹姆斯·弗雷泽·斯图尔特还是个孩子的时候，他家没有电视也没有电脑。 所以他在木工上花了很多时间。 这样的经验锻炼了他将来作为化学家的能力。 识别形状，评价它们之间可以如何组合。 在不存在的化学分子分子分子分子分子分子分子分子分子上，分子，没有梦想，分子，分子，分子，分子，没有分子，新的蜘蛛11也在这个溶液溶液中，缺失，富电子的2个分子结构马上结合起来。

伊达他加热1994年，司徒塔特已经完全控制了其运动状态，打破了化学系统中原本主导的随机性。

分子电梯、微肌肉和微芯片

1994年以后，司徒塔特的研究小组利用多种不同的烃制造了大量不同的分子机械，包括电梯( 2004年，图4 )，其上升高度达到0.7纳米左右。 一种人工肌肉( 2005年)，由这种轮烃组成的“分子肌肉”成功地弯曲了薄薄的金薄片。 司徒塔特与其他研究者合作，基于轮烃，开发了内存为20kb的计算机芯片。 现在电脑芯片中使用的晶体管非常小型，但如何面对这个分子水平的“晶体管”，那完全是巨大的。 研究者相信该分子芯片技术将来会在现有的以前普及计算机芯片技术，基于硅芯片的晶体管技术会消失。

让-皮埃尔·索瓦也同样研究了轮烃的潜力。 2碰巧碰巧他们，开发了轮可向不同方向旋转、可与电机连接的结构。 。 (). 徒劳无功11多尝试了一下，最初是荷兰伯纳德。

也

桃子

章鱼这里的这个分子2上有2键结合键。 。 ()().。 然而，已经累得不行了，也没用，也没用，还没用，还没用，继续磨磨蹭蹭，分子马达就会向同样的方向旋转。

第一台马达的运行速度不快，但费林队把它优化了。 年，其转速达到每秒1200万转。 年，研究小组制造了4驱纳米汽车，在一个分子底盘上安装了4个马达(作为车轮)。 车轮一转，车就前进。

一个分子马达使小玻璃缸旋转。

在另一个引人注目的实验中，伯纳德·费林的研究小组使用分子马达旋转了28微米长的玻璃缸(比分子马达大10000倍)。 在实验中，将电机组装到液晶(具有晶体结构的流体)中。 不是结构而是分子分子分子分子分子分子分子分子分子也是

全年，作为提取氨基酸连接分子机器人，最突出，1嗯，从氨基酸中提取。 。 。

但是如果把分子作为、、、、、、、、、、、、、、、、、特别是研究者找到获得这种能量的技术，新电池就会被开发出来。 电机搅拌聚合物时材料会收缩，可以用于光反应传感器的开发。

平衡——走向新的充满活力的化学

这项技术迅速发展的重要组成部分之一是研究者使分子系统远离了所谓的平衡。 所有的化学系统都以平衡为目标。 这是低级的能量状态，但陷入僵局。 以日常生活为例，在我们吃饭的时候，身体的分子从食物中提取能量，使分子系统远离平衡，达到更高的能量水平。 然后，生物分子利用能量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。

像生命分子一样，索瓦、司徒塔特、费灵格的人工分子系统执行控制任务。 时间说明了小型化计算机技术革命带来的影响，我们也只是看到了机器小型化可能影响的初期阶段。 从快速的发展阶段来看，分子马达相当于现在19世纪30年代的电子马达。 当时，研究者的想法还处于实验室阶段，没想到后来会出现电车、洗衣机、风扇、食物解决器等。

因此，在费曼发表非常有远见的演讲32年后，我们至今仍能继续推测这项技术令人兴奋的未来快速发展前景。 但是我们现在可以回答第一个问题。 我们能做的最小的机器有多小？ 至少比一缕头发小一千倍。 (晨风友亚)