2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)解讀

本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)似乎是物理獎(jiǎng)的連續(xù)劇。為了更形象地解釋諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的關(guān)鍵成果——將環(huán)狀分子互鎖成鏈狀或結(jié)狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械鍵——諾貝爾組委會(huì)再次選用面包來形象說明,他們拿出兩個(gè)套在一起的面包圈,解釋一對(duì)彼此獨(dú)立但又相連的分子。

瑞典皇家科學(xué)院宣布將2016年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達(dá)特和伯納德·費(fèi)林加三位科學(xué)家,因?yàn)樗麄冊(cè)?ldquo;設(shè)計(jì)和合成分子機(jī)器”領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究,而這些研究的起點(diǎn)是從機(jī)械鍵開始的。

從機(jī)械鍵到分子鏈

早在上世紀(jì)50年代,為了創(chuàng)建更加高級(jí)的分子結(jié)構(gòu),一些化學(xué)家就提出了機(jī)械鍵的概念。

分子間相互作用一般是通過不同分子內(nèi)原子間共用電子形成強(qiáng)有力的共價(jià)鍵,但環(huán)狀分子通過機(jī)械鍵相互作用,原子間并不直接相互作用,因此鍵力更“松散”,兩個(gè)分子能夠相互活動(dòng),從而構(gòu)建出想要的分子機(jī)器。

機(jī)械鍵提出后的最初十年,一些科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室合成分子鏈,始終無法達(dá)到實(shí)用需求。隨后幾年,該領(lǐng)域研究一直不見成效。

但1983年的一個(gè)巨大突破完全扭轉(zhuǎn)了局面:法國(guó)科學(xué)研究中心主任讓-皮埃爾·索瓦日帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用普通的銅離子,將兩個(gè)分子環(huán)互鎖成分子鏈,且形成分子鏈的分子占比達(dá)到了驚人的42%之多。分子鏈從此不再只是傳奇,大步踏上功能化學(xué)行列。

索瓦日將兩個(gè)環(huán)狀分子互鎖相連的分子鏈取名為“索烴”,隨后他和斯托達(dá)特基于索烴研發(fā)出三葉結(jié)、博羅環(huán)和所羅門結(jié)等具有文化象征意義的分子結(jié)構(gòu)。但這些只是鋪墊,2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的主角是分子機(jī)器。

 分子機(jī)器預(yù)言成真

關(guān)于分子機(jī)器,著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼曾指出,未來我們會(huì)用分子造出含有多個(gè)活動(dòng)部件的機(jī)器,這種機(jī)器小到只有用電子顯微鏡才能看到,“未來25年到30年內(nèi),這種分子機(jī)器會(huì)獲得實(shí)際運(yùn)用,但最先用的是什么機(jī)器,我不知道。”

費(fèi)曼的預(yù)言似乎成真了。索瓦日的索烴結(jié)構(gòu)讓他成功跨出了分子機(jī)器研發(fā)的重要第一步:索烴內(nèi)機(jī)械鍵允許兩個(gè)分子進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng),滿足了機(jī)器執(zhí)行任務(wù)的基本條件。1994年,他的團(tuán)隊(duì)通過施加能量,成功讓索烴內(nèi)的一個(gè)環(huán)繞著另一個(gè)環(huán)按一定方式旋轉(zhuǎn)。

斯托達(dá)特于1991年研發(fā)出一種名叫“輪烷”的分子結(jié)構(gòu),邁出分子機(jī)器研究的第二步:將一個(gè)分子環(huán)串到一根分子軸上,并證明分子環(huán)能沿著分子軸像織布梭一樣前后穿梭。1994年之后,斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊(duì)基于輪烷研制出不同的分子機(jī)器,包括能升高0.7納米的分子電梯,能將一塊超薄金片彎曲的分子肌肉,以及能儲(chǔ)存20000字節(jié)數(shù)據(jù)的分子芯片,有望像硅基晶體管一樣給計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來革命性變化。

從1990年代開始,許多科學(xué)家競(jìng)相研制分子馬達(dá),但伯納德·費(fèi)林加成為第一個(gè)沖過終點(diǎn)的科學(xué)家。1999年他研制出世界上第一個(gè)分子馬達(dá),并成功通過機(jī)械作用讓一個(gè)分子馬達(dá)的葉片沿著一個(gè)方向持續(xù)螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過不斷優(yōu)化,2014年他的分子馬達(dá)轉(zhuǎn)速已達(dá)到每秒1200萬轉(zhuǎn)。之后,費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)又成功設(shè)計(jì)出用四個(gè)分子馬達(dá)當(dāng)車輪、能沿著平面前進(jìn)的納米車。

開創(chuàng)化學(xué)研究新局面

這些能獲得諾貝爾獎(jiǎng)這一至高榮譽(yù)的分子機(jī)器研究,打破了化學(xué)領(lǐng)域多年來尷尬的局面。分子馬達(dá)可與1830年代的電動(dòng)機(jī)相提并論,這些分子機(jī)器將廣泛用于研發(fā)新材料、傳感器和能源儲(chǔ)存系統(tǒng)等領(lǐng)域。

首先,這些分子機(jī)器的研發(fā)可為全世界正在研發(fā)越來越高級(jí)化合物的科學(xué)家提供工具箱,比如2013年科學(xué)家成功以輪烷為基礎(chǔ)開發(fā)出分子機(jī)器人,它能抓取氨基酸并將氨基酸連接起來形成新的蛋白結(jié)構(gòu)。

再有,科學(xué)家成功將分子馬達(dá)與長(zhǎng)鏈聚合物相連,當(dāng)暴露在陽光下時(shí),這些馬達(dá)會(huì)將聚合物卷成雜亂的捆狀,通過這種方式把光能儲(chǔ)存在分子中,有望研發(fā)出一種全新的電池。馬達(dá)與聚合物纏繞也會(huì)讓材料收縮,因此也能用來研制對(duì)光敏感的傳感器。