分子機(jī)器頭發(fā)萬(wàn)分之一細(xì)

小野

靈感——肌肉是機(jī)器

國(guó)外的分子機(jī)器研究從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，而我國(guó)在相關(guān)研究領(lǐng)域的第一篇科學(xué)論文發(fā)表于2004年，“這意味著我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究比發(fā)達(dá)國(guó)家晚起步了整整二十年，我們必須實(shí)現(xiàn)彎道超越！”張琦說(shuō)。一段時(shí)間以來(lái)，我國(guó)在分子機(jī)器領(lǐng)域的科研缺乏合成經(jīng)驗(yàn)、缺乏標(biāo)志性成果，因此就缺乏了話語(yǔ)權(quán)。2016年，荷蘭科學(xué)家伯納德L費(fèi)林加因設(shè)計(jì)與合成分子機(jī)器而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，張琦所在的實(shí)驗(yàn)室在2017年與伯納德教授共同建立了分子機(jī)器國(guó)際聯(lián)合研究中心，他的研究更加如魚(yú)得水。

“我的靈感來(lái)源于人體，人體的肌肉組織，”張琦說(shuō)，“人體的肌肉實(shí)際上是一種纖維一樣的‘機(jī)器，它可以不斷地舒張、收縮，消耗生物化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，維持人體的日常運(yùn)動(dòng)?！?在這樣的啟發(fā)之下，歷時(shí)兩年零六個(gè)月的時(shí)間，張琦合成出了一種類似于生物肌肉一樣不斷收縮舒張的分子，最終國(guó)際上首個(gè)模擬人體肌肉的分子致動(dòng)器得以面世，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納米物體的精準(zhǔn)調(diào)控。這一分子機(jī)器的大小僅為人體肌肉纖維的千分之一，長(zhǎng)度僅有11納米（約為頭發(fā)絲直徑的萬(wàn)分之一）。

“一定會(huì)有人問(wèn)，這樣的一個(gè)納米級(jí)別的分子機(jī)器，有什么作用呢？”張琦換了一種口吻，開(kāi)始發(fā)問(wèn)，“那么瓦特剛剛改良了蒸汽機(jī)的時(shí)候，法拉第剛發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)的時(shí)候，又有誰(shuí)能預(yù)見(jiàn)到，未來(lái)有火車飛機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生呢？”

“當(dāng)然，現(xiàn)有的一些分子機(jī)器研究，也已經(jīng)有成功應(yīng)用的例子了?！睆堢蛭覀兘榻B，大家都知道鋰電池其實(shí)安全性不是很高，用久了之后，就會(huì)產(chǎn)生一些物質(zhì)，導(dǎo)致爆炸起火。那么現(xiàn)在的分子機(jī)器所制作的一些聚合物材料已經(jīng)在國(guó)外被應(yīng)用于這個(gè)鋰電池的保護(hù)傘之中了，對(duì)于加強(qiáng)鋰電池的安全性能，是很大的提升。

治癌利器

分子機(jī)器目前在全世界應(yīng)用并不廣泛，這在張琦看來(lái)，是“尚未發(fā)揮出巨大效用但潛力無(wú)限”的領(lǐng)域。

張琦的科研成果還有可能被應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。

“癌癥的治療一直是世界難題，也是大家廣泛研究的科研課題。我所研究的方向，有可能通過(guò)人工合成這樣一個(gè)分子機(jī)器人，然后使用注射等手段使其進(jìn)入人體的血液循環(huán)系統(tǒng)。那么這個(gè)機(jī)器人可以自動(dòng)去識(shí)別癌細(xì)胞——精準(zhǔn)地找到它并且殺死它?！睆堢a(bǔ)充道，“這與當(dāng)前癌癥療法的不同之處在于，當(dāng)今的放化療都是通過(guò)射線或化學(xué)藥物來(lái)殺死體內(nèi)的癌細(xì)胞，通常會(huì)導(dǎo)致患者體內(nèi)的正常細(xì)胞也會(huì)死亡，有時(shí)甚至死亡的比例還要高于癌細(xì)胞。”

而在張琦的未來(lái)研究設(shè)想內(nèi)，它會(huì)精準(zhǔn)識(shí)別并殺死癌細(xì)胞，對(duì)于人體內(nèi)的正常細(xì)胞不會(huì)有任何影響。

作為科研工作者的張琦嚴(yán)謹(jǐn)如許，“這只是我們的研究目標(biāo)，現(xiàn)在還無(wú)法做到，但我認(rèn)為在未來(lái)的科研領(lǐng)域中，這個(gè)方向是值得我們?nèi)ネ度胭Y金和時(shí)間去研究的。從目前所掌握的信息來(lái)看，這是有一定的成功概率的?！?/p>

得到的幫助太多了

如今的張琦，已經(jīng)在人工分子機(jī)器領(lǐng)域解決了多項(xiàng)國(guó)際前沿的科學(xué)難題，至今已在國(guó)際SCI期刊上發(fā)表了24篇論文，其中以第一作者身份發(fā)表的有9篇，論文被引300余次，單篇最高被引50次，因此躋身于美國(guó)化學(xué)會(huì)評(píng)選的2018年度“未來(lái)領(lǐng)袖者”，獲得這一殊榮的，全球僅有30位。

張琦覺(jué)得，他能有如今的成績(jī)，首先歸功于他優(yōu)秀的導(dǎo)師及團(tuán)隊(duì)支持，“我的導(dǎo)師給我最大的好處在于自由，他不限制我的工作時(shí)間，這使我能夠在很輕松自如的工作環(huán)境當(dāng)中做自己感興趣的事。另外是優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)合作，是他們的支持和幫助，才讓我得到了現(xiàn)有的科研成果?！?/p>

“當(dāng)然，最重要的還是自身對(duì)于科研工作的興趣與投入，我本身會(huì)想辦法提高自己的工作效率，盡量不要做無(wú)謂的時(shí)間浪費(fèi)，努力做到事半功倍?！?/p>

與旁人不同的是，張琦從大二開(kāi)始就已經(jīng)泡在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行相關(guān)的科研探索了。“這歸功于我們學(xué)校提供的平臺(tái)，支持我們從本科低年級(jí)就參與科研項(xiàng)目。”科研起步的提前，為張琦節(jié)省了更多入門(mén)準(zhǔn)備工作的時(shí)間，“這也是提早樹(shù)立遠(yuǎn)大理想嘛，盡可能早進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，受到科學(xué)訓(xùn)練，那么對(duì)于今后的科研成果產(chǎn)出，將會(huì)愈加得心應(yīng)手。”因此，在博士第一年，當(dāng)其他人還在鍛煉科研技能時(shí)，張琦就已經(jīng)能夠自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)了。

“當(dāng)然，不能否認(rèn)的是，獲得一些科研成果還需要的因素就是——運(yùn)氣吧?！睆堢目跉夥浅?yán)肅，“可能是我運(yùn)氣比較好，發(fā)現(xiàn)了非常有意思的現(xiàn)象，并且把這些意外的收獲成功地研究透了?！闭\(chéng)然，并不是所有人都能成功抓住實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的“驚喜”，也許無(wú)心流失的現(xiàn)象，就可能帶來(lái)全新的改變。

“事實(shí)上，科研過(guò)程里有許許多多意外，但如果只是把失敗的實(shí)驗(yàn)當(dāng)做失敗，并不從失敗當(dāng)中去挖掘其他有價(jià)值的東西的話，那確實(shí)很難有突破性的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

張琦說(shuō)，導(dǎo)師曾經(jīng)告訴他，“從來(lái)不會(huì)有失敗的實(shí)驗(yàn)，做出來(lái)的實(shí)驗(yàn)永遠(yuǎn)是對(duì)的?！币?yàn)槊恳粋€(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生都有背后的原理和邏輯，在科學(xué)的世界里，任何結(jié)果都有規(guī)律可循。真正有心的人，就是從反復(fù)的失敗當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)別人沒(méi)有注意過(guò)的細(xì)節(jié)，“在科學(xué)史上，可以說(shuō)大部分真正有原創(chuàng)性突破的科學(xué)研究都是從失敗和意外中發(fā)現(xiàn)的。”

此外，張琦強(qiáng)調(diào)，科研工作者還需要平衡好工作與休息的時(shí)間，畢竟身體是革命的本錢。在長(zhǎng)期的科研環(huán)境中，他曾親眼目睹過(guò)身邊同事，年紀(jì)輕輕就被腰椎間盤(pán)突出等疾病折磨?！拔覀兛蒲袉挝坏摹米瀣F(xiàn)象很典型，當(dāng)然對(duì)于大家都很擔(dān)憂的發(fā)際線，我也在努力保衛(wèi)啦！”

責(zé)任編輯：陳思

張琦?華東理工大學(xué)博士研究生

張琦在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)研究多年，現(xiàn)在他的研究方向叫分子機(jī)器，即用保持物質(zhì)化學(xué)特性的最小單元——分子，來(lái)合成相關(guān)機(jī)器。

“最初的計(jì)算機(jī)埃尼阿克占地達(dá)到100多平方米，現(xiàn)在的筆記本電腦已經(jīng)很輕薄了，手機(jī)就更小了。機(jī)器越來(lái)越小是工業(yè)科技領(lǐng)域必然的趨勢(shì)，那么我們?nèi)绻軐?shí)現(xiàn)用分子來(lái)做機(jī)器的話，就是把機(jī)器最小化這件事情做到極限了?！?/p>

最重要的是自身對(duì)于科研工作的興趣與投入，我本身會(huì)想辦法提高自己的工作效率，盡量不要做無(wú)謂的時(shí)間浪費(fèi)，努力做到事半功倍。