分子机器使人类操控分子达到新高度

黄小编

　　北京时间昨天下午5点45分，2016年诺贝尔化学奖揭晓，一项非常基础的纯化学研究———分子机器获奖，法国斯特拉斯堡大学教授让-皮埃尔·索瓦日　(Jean-Pierre Sauvage)、美国西北大学教授弗雷泽·斯托达特(Sir J.Fraser Stoddart)　和荷兰格罗宁根大学化学系教授伯纳德·费林加(Bernard L.Feringa)，分享了2016年诺贝尔化学奖，表彰他们“发明了行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”。

　　这项离现实应用还比较遥远的研究，却使科学家对分子运动的操控达到了前所未有的新高度。其实，在生命体中，科学家早就看到了分子机器的存在，但生物分子机器结构和机制复杂，一旦可以通过化学方法实现对分子机器的精确构建，将可能引来材料和信息技术的新一轮大发展。

　　三个人，三座里程碑

　　三位获奖人真可谓光芒四射：索瓦日教授是法国科学院院士；斯托达特教授是美国科学院院士、美国文理科学院院士、英国皇家化学会荣誉会士；费林加教授是荷兰皇家科学院院士，也是美国文理科学院外籍院士。

　　1983年，让-皮埃尔·索瓦日迈出了构建分子机器的第一步，他将两个环状分子套在一起，形成稳定的互穿超分子结构，并将其命名为索烃。1991年，斯托达特则成功制备了一类轮烷，其中一个分子为链型结构，一个分子为环，环分子套在线性分子上，并可以往返运动。在此基础上，他为分子机器设计出了一系列“衍生品”：分子起重机、分子肌肉和分子芯片等。费林加则是发展分子马达的第一人。1999年，他制作了一个分子转子叶片，能够持续朝一个方向旋转。利用分子马达，他成功让

　　一个玻璃圆筒开始旋转———这个圆筒可比马达本身大上1万倍。此外，他还设计了一辆纳米小车。

　　虽然诺贝尔奖官网上对这三位获奖人工作的介绍，让人感觉非常神奇，但在实际科研中，分子机器还处于非常基础的阶段。　

　　复旦大学化学系教授黎占亭说，分子机器能否走向实用，实现器件化、规模化是关键，目前全世界该领域科学家都朝着这一方向在努力。

　　今年6月，在学术界有着举足轻重地位的美国戈登会议首次将“分子机器及其潜在应用”作为重点议题，标志该领域发展进入一个新纪元。“我们已经制造出五六十种不同的分子马达”，费林加当时说，“我现在更关心怎么使用它们，而不是再造出一种新的马达来”。

　　看似原始，却妙用无穷

　　加入燃料分子，分子马达就会动起来。今年诺贝尔奖获奖者带化学走出了僵局，并用给予能量的方式控制了分子的运动———这使人类操控分子的水平达到了新的高度。

　　中科院院士、华东理工大学教授田禾认为，以史为鉴，分子机器之于我们，正如电动机之于19世纪的科学界先辈，那时他们并不知道这些线圈和磁石会化为电车、洗衣机、电风扇。分子机器很有可能会在未来的新材料、传感器、储能系统等领域大显身手。

　　比如，分子机器的穿梭运动，就可能用来编码，这样科学家就有可能发展出分子计算机。“这类分子计算机的发展将摆脱摩尔定律的限制，为超高密度的信息存储提供新的可能性。”田禾说，由于分子尺度可达到0.1纳米，而分子的穿梭运动的两个状态可以用来二进制编码，就可以实现超高密度存储。2007年，斯托达特团队已经制备出这类超高密度原型分子存储器件。

　　又如，科学家已在生命活动中发现分子马达的存在，但由于机制太过复杂，难以研究清楚。如果化学家提供了一个精准而简单的模型，很多生命过程将可进行人工模拟，比如三磷酸腺苷酶即是一类生物分子机器，依靠高能分子三磷酸腺苷(ATP)　为细胞内化学反应提供能量———这将为生命科学研究带来新的飞跃。

　　“分子机器运动的精准表征，是一个亟待攻克的难题。”田禾说，他的课题组正在尝试将染料分子带入分子机器，用荧光等标记物来简便而精准地表达出分子机器的不同运动状态，“这样，我们可以发展出灵敏度更高、选择性更强的探针体系，或可用来发现新生物标志物、或对环境进行监测等。”

　　为中国培养不少人才

　　“今年的诺奖是对分子机器领域发展方向的肯定，中国在该领域起步较晚，但目前已有一大批年轻人从事这方面研究。”黎占亭告诉记者，除了索瓦日教授已退休外，另外两位获奖者的实验室中，都有很多中国留学生，他们为中国培养了不少人才。华东理工大学、吉林大学、武汉大学、浙江大学和中国科学院等，都有斯托达特和费林加的学生在开展科研。

　　浙江大学化学系特聘研究员李昊就是斯托达特的学生。他说，斯托达特非常喜欢招收中国留学生，因为中国学生非常勤奋，他喜欢中国人努力的工作态度。由此，斯托达特也很喜欢来中国，2005年被华东理工大学授予名誉教授，他还是天津大学的兼职教授。

　　“斯托达特对学生很严厉，也很和蔼。”李昊说，导师年纪大了，听讲座容易打瞌睡，学生就偷偷拍下他打瞌睡的样子，做成影集送给他，他就哈哈一笑。他还有柔情的一面。一次，他在美国芝加哥大学做报告，有人问，他最迫切的念头是不是获得诺贝尔奖。斯托达特想了想，回答道：“我愿意用我所有的奖项去换取亡妻的生命。”

　　费林加对中国科学界很友好，他是田禾牵头的“111引智计划”项目的合作者。

　　索瓦日教授也有故事在留学生中流传。他和太太感情非常好，到美国讲学一个多星期，每天都和太太通电话20分钟。他还和学生交流“省话费”经验：先拨电话给太太但不接，然后两人用Skype聊。

　　索瓦日教授的导师是1987年诺贝尔化学奖获得者、“超分子化学之父”让-马里·莱恩(Jean-Marie Lehn)教授，而分子机器则是在超分子体系上发展而来的。这对诺奖师徒在科学上也一脉相承，不断开拓发展，为诺奖史又添一段佳话。
来源： 文汇报