2016化學(xué)諾獎(jiǎng)：分子機(jī)器將開創(chuàng)新時(shí)代

蔣琳

和生命分子一樣，索維奇、斯托達(dá)特和費(fèi)林加的人造分子系統(tǒng)能執(zhí)行受控任務(wù)，化學(xué)因此向著全新世界邁出了第一步。

法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓-彼埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）教授、美國(guó)西北大學(xué)的詹姆斯·弗雷澤·斯圖達(dá)特（James Fraser Stoddart）爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費(fèi)林加（Bernard L. Feringa）教授共享2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們因在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成上的貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。這讓許多人不禁感慨，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)終于頒給了屬于純化學(xué)范疇的“分子機(jī)器”。此前歷屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)都授予了交叉學(xué)科，比如生物化學(xué)和生物物理等。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)有關(guān)在分子層面微觀尺度上設(shè)計(jì)機(jī)器的故事。這幾位獲獎(jiǎng)人成功地將分子連在一起，開發(fā)出了只有頭發(fā)絲千分之一粗細(xì)的“分子機(jī)器”，共同設(shè)計(jì)了包括分子電梯、分子馬達(dá)、分子人造肌肉在內(nèi)的各種分子機(jī)器。正如諾獎(jiǎng)委員會(huì)所言：“他們掌握了在分子層面上控制運(yùn)動(dòng)的技術(shù)?！?/p>

分子機(jī)器的幻想

“分子機(jī)器”又稱生物納米機(jī)器，是在1959年作為納米技術(shù)的概念被提出的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“分子機(jī)器”就是在分子水平上，由一個(gè)分子或幾個(gè)分子，通過(guò)分子的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)宏觀機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。它主要由蛋白質(zhì)等生物分子構(gòu)成，具有小尺寸、多樣性、自適應(yīng)，以及僅依靠化學(xué)能或者熱能驅(qū)動(dòng)等其他人造機(jī)器難以比擬的性能，對(duì)促進(jìn)生物學(xué)以及仿生學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

早在1959年，當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）就大膽預(yù)測(cè)，在納米尺度下打造機(jī)器是可能的，分子機(jī)器未來(lái)將會(huì)在納米機(jī)器人操作手術(shù)和定位藥物在人體內(nèi)的輸送方面起到關(guān)鍵作用。他說(shuō)：“雖然這個(gè)想法聽起來(lái)很瘋狂，但是如果人們能夠吞下一個(gè)納米外科醫(yī)生，這樣的手術(shù)會(huì)很有意思。”他描繪道，只要把這個(gè)外科醫(yī)生放進(jìn)人體的血液中，它就能夠抵達(dá)心臟，并且查看哪里出了問題，然后納米機(jī)器人會(huì)拿出小刀，把不好的地方（比如腫瘤部位）切除。

費(fèi)曼的想法很快在1966年美國(guó)的一部科幻影片《神奇旅程》（Fantastic Voyage）中得到了體現(xiàn)。影片講述了一名科學(xué)家因腦血管遭到間諜破壞而命在旦夕，為了救他，5名美國(guó)醫(yī)生乘坐飛船，在被集體縮小后注射進(jìn)他的體內(nèi)進(jìn)行血管手術(shù)，完成任務(wù)后經(jīng)眼睛逃出，從而拯救了他的生命。

50年后的今天，人們雖然仍然未能將科幻變成現(xiàn)實(shí)，但是很多人還在努力去證實(shí)費(fèi)曼的預(yù)言，當(dāng)然這個(gè)證明過(guò)程是漫長(zhǎng)的。

索維奇研究出分子機(jī)器的雛形

在科學(xué)研究中，靈感常常來(lái)自完全不同的領(lǐng)域。讓-皮埃爾·索維奇一開始的研究領(lǐng)域是光化學(xué)，這個(gè)領(lǐng)域的化學(xué)家試圖開發(fā)能夠捕獲太陽(yáng)能并用它驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的分子復(fù)合物。當(dāng)索維奇建好了其中一個(gè)光化學(xué)分子模型之后，他突然發(fā)現(xiàn)這個(gè)模型與分子鏈的相似之處：一個(gè)核心離子周圍纏著兩個(gè)分子。這靈光一閃使得索維奇的研究方向大轉(zhuǎn)，從而復(fù)興了拓?fù)浠瘜W(xué)領(lǐng)域。

1983年，讓-彼埃爾·索維奇踏出了分子機(jī)器研發(fā)的第一步。當(dāng)時(shí)，他成功地將兩個(gè)環(huán)形分子連接起來(lái)，形成一根鏈，并將其命名為“索烴”（Catenanes）。其中一個(gè)環(huán)能在接受能量后受控繞另一個(gè)環(huán)旋轉(zhuǎn)，這是非生物分子機(jī)器的最初雛形。通常，分子是由共價(jià)鍵（原子共享電子）結(jié)合而成，但在“索烴”里它們是通過(guò)更自由的機(jī)械結(jié)合連接。機(jī)器要完成任務(wù)，必須要有相互之間能夠相對(duì)移動(dòng)的部件，這兩個(gè)相互扣合的環(huán)形分子就能符合這個(gè)要求。

斯圖達(dá)特向分子機(jī)器邁出第二步

詹姆斯·斯圖達(dá)特小時(shí)候成長(zhǎng)在蘇格蘭一個(gè)沒有電也沒有任何現(xiàn)代設(shè)施的農(nóng)場(chǎng)，他用拼圖游戲來(lái)打發(fā)時(shí)間。這就給了他一個(gè)化學(xué)家所需要的訓(xùn)練：辨認(rèn)形狀，發(fā)現(xiàn)它們可以怎樣組合在一起。他還被化學(xué)中的一種可能性所吸引，就是可以成為分子藝術(shù)家——雕琢出世界上從來(lái)沒有人見過(guò)的形狀。

斯圖達(dá)特在1991年完成了分子機(jī)器研發(fā)的第二步——利用分子間的互相吸引，研究出“輪烷”（Rotaxane）。他將一個(gè)分子環(huán)穿入一個(gè)細(xì)的分子軸，證明了環(huán)狀分子能隨軸運(yùn)動(dòng)。于是他得到了“輪烷”：一個(gè)環(huán)狀分子以機(jī)械作用套在一個(gè)軸上。

接下來(lái)斯托達(dá)特利用了環(huán)能在軸上移動(dòng)的特性（加熱時(shí)，環(huán)會(huì)在軸之間前竄后跳——就像一個(gè)微型梭），在1994年做到了完全控制其運(yùn)動(dòng)，使得它不再只會(huì)自由隨機(jī)移動(dòng)。之后，他和他的團(tuán)隊(duì)以“輪烷”為研究基礎(chǔ)，構(gòu)建多種分子機(jī)器：分子電梯（2004年），它可以將自己從表面上抬高0.7納米；還有人造肌肉（2005年），能把一塊非常薄的金箔弄彎。斯托達(dá)特還和其他研究者聯(lián)手開發(fā)了一種基于“輪烷”的計(jì)算機(jī)芯片，能儲(chǔ)存20KB的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管已十分微小，但是和“輪烷”芯片一比都要算是巨型了。我們相信分子計(jì)算機(jī)芯片能夠像當(dāng)年的硅片晶體管那樣，給計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)又一次革命。

費(fèi)林加是研究出分子馬達(dá)的第一人

正常情況下，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的分子向左與向右轉(zhuǎn)動(dòng)的概率大體相同。對(duì)于分子機(jī)械工程來(lái)說(shuō)，重要的目標(biāo)是制造出一個(gè)能夠在同一方向上持續(xù)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)。在20世紀(jì)90年代，該領(lǐng)域的研究者們作出了許多不同的嘗試，但是最先取得突破的是荷蘭人伯納德·L·費(fèi)林加。

1999年，費(fèi)林加研究出分子轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，成功地使葉片持續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并保持此方向不變。分子由兩個(gè)像旋翼葉片般的結(jié)構(gòu)組成，由一對(duì)碳碳雙鍵連接。每個(gè)葉片分別與一個(gè)甲基相連，它們和葉片一起如同棘輪般運(yùn)作，迫使分子朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)分子被暴露在紫外線脈沖下時(shí)，一個(gè)旋翼葉片圍繞中心的雙鍵翻躍了180度。接著，棘輪運(yùn)轉(zhuǎn)到位。當(dāng)下一束脈沖到來(lái)時(shí)，葉片又再翻躍了180度。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，分子就按照相同方向旋轉(zhuǎn)，就像一個(gè)“分子馬達(dá)”一樣。這被視作分子機(jī)器領(lǐng)域的標(biāo)志性事件。

雖然第一個(gè)“分子馬達(dá)”的速度并不快，但費(fèi)林加還是成功用“分子馬達(dá)”轉(zhuǎn)動(dòng)了比它大一萬(wàn)倍的玻璃杯。在2011年，研究組還制造了一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)的“納米車”，一個(gè)分子底盤將四個(gè)“馬達(dá)”聯(lián)結(jié)在一起，當(dāng)作車輪使用。當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，納米車就在表面上向前行駛。后來(lái)費(fèi)林加的研究組對(duì)“分子馬達(dá)”進(jìn)行了優(yōu)化，在2014年，使旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到了每秒1200萬(wàn)轉(zhuǎn)。

在宏觀層面上，如果數(shù)以億計(jì)的分子機(jī)器共同協(xié)作，確實(shí)能夠改變材料的某些宏觀性質(zhì)。比如能夠根據(jù)光或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行伸縮的智能凝膠就可以用來(lái)制造可調(diào)節(jié)型鏡片或傳感器。費(fèi)林加曾說(shuō)，“我敢打賭，在未來(lái)5年之內(nèi)，嵌入了分子開關(guān)的新型智能材料就會(huì)問世。”

邁向全新而充滿活力的化學(xué)

所有的化學(xué)系統(tǒng)都會(huì)力圖達(dá)到平衡，這是一種低能量狀態(tài)，但這更是一種僵局。這些研究之所以能獲得2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，很重要的一部分原因在于研究者驅(qū)動(dòng)著分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離了這種僵局。他們還開創(chuàng)出分子機(jī)器發(fā)展的道路，使分子的運(yùn)動(dòng)具有可控性，因此誕生的一系列化學(xué)結(jié)構(gòu)，成為全世界研究者用于進(jìn)一步創(chuàng)作的工具箱。其中最令人震撼的例子是一個(gè)可以抓取并連接氨基酸的分子機(jī)器人，它是2013年以“輪烷”為基礎(chǔ)建造出來(lái)的。

從歷史發(fā)展來(lái)看，“分子馬達(dá)”和19世紀(jì)30年代的電動(dòng)機(jī)何其相似，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們展示了各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子，卻沒意識(shí)到這些東西將導(dǎo)致電車、洗衣機(jī)、風(fēng)扇以及各種加工機(jī)器的產(chǎn)生。今天，分子機(jī)器很有可能在新材料、傳感器以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)中得到應(yīng)用。其中很重要的一個(gè)應(yīng)用前景就在于分子機(jī)器人在生物體內(nèi)的自動(dòng)生成。比如針對(duì)病毒的機(jī)器人，可能會(huì)通過(guò)它的分子與特定的病毒相結(jié)合，向腫瘤部位集中運(yùn)輸藥物。盡管這些發(fā)現(xiàn)都還僅限于實(shí)驗(yàn)室展示，但是科研人員正在挖掘這一技術(shù)潛力，并認(rèn)為這些應(yīng)用有能力真正改變?nèi)藗兊默F(xiàn)實(shí)生活。

雖然現(xiàn)在的分子機(jī)器探索仍然處于嬰兒期，實(shí)際應(yīng)用仍然需要假以時(shí)日，但是2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者給我們制造分子機(jī)器奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使人類制造和設(shè)計(jì)分子機(jī)器成為現(xiàn)實(shí)。