瑞典皇家科學(xué)院當(dāng)?shù)貢r(shí)間5日宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家紹瓦熱，英國(guó)科學(xué)家斯托達(dá)特，和荷蘭科學(xué)家費(fèi)林加。以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器設(shè)計(jì)與合成領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。這三名科學(xué)家將平分約合620萬(wàn)元人民幣的獎(jiǎng)金。
據(jù)介紹，這個(gè)分子機(jī)器比頭發(fā)絲的千分之一還細(xì)，被稱(chēng)為“世界上最小的機(jī)器”。那么，分子機(jī)器會(huì)對(duì)我們的生活有怎樣的影響？
什么是分子機(jī)器？
分子機(jī)器究竟是什么？這要從分子說(shuō)起。分子，人們并不陌生，它是構(gòu)成物質(zhì)的一種基本粒子，在物理上，物質(zhì)大多數(shù)是由原子構(gòu)成的分子組成，通常使用顯微鏡來(lái)觀測(cè)。
鮮為人知的是，分子本身是具有特定結(jié)構(gòu)的，能夠相互作用，能夠識(shí)別，甚至能夠“動(dòng)”起來(lái)。當(dāng)然，要讓它動(dòng)起來(lái)，需要研發(fā)一種機(jī)器，這種機(jī)器就是三位諾獎(jiǎng)獲得者所做出來(lái)的分子機(jī)器。
據(jù)諾獎(jiǎng)官網(wǎng)的介紹，分子機(jī)器是“世界上最小的機(jī)器”，包括一部微型“起重機(jī)”，幾塊人工“肌肉”和微型“馬達(dá)”。
別小看這個(gè)機(jī)器，它和歷史上的電動(dòng)馬達(dá)有著很大的相似之處。19世紀(jì)30年代，電動(dòng)馬達(dá)問(wèn)世，然而，在那個(gè)年代科學(xué)家看來(lái)，電動(dòng)馬達(dá)只是各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子，卻沒(méi)意識(shí)到這些東西將導(dǎo)致電車(chē)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇以及食品加工機(jī)的產(chǎn)生，并徹底改變了世界。今天，分子機(jī)器則被認(rèn)為很有可能將在新材料、傳感器以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)中得到應(yīng)用。
分子機(jī)器是如何造出來(lái)的？
據(jù)諾獎(jiǎng)官網(wǎng)的介紹，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，制造分子機(jī)器只需要三步，這三步也分別是由這三位獲獎(jiǎng)?wù)咦龀鰜?lái)的。
第一步是將兩個(gè)環(huán)狀分子連接在一起。1983年，紹瓦熱實(shí)現(xiàn)了這一步，他成功地將兩個(gè)環(huán)狀分子連接在一起，形成了一條特殊的鏈，即雙環(huán)化合物，并命名其為“索烴”。
一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)能夠執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器，必須包含可以相對(duì)移動(dòng)的部分，“索烴”正好滿(mǎn)足了這個(gè)條件。
接下來(lái)是第二步，利用一個(gè)分子推動(dòng)另一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)。斯托達(dá)特實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，1991年，他成功合成出了“輪烷”，即將一個(gè)環(huán)形分子套在一個(gè)線性分子上，如此，環(huán)形分子就能以線性分子為軸，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
在此基礎(chǔ)上，他設(shè)計(jì)出了分子“起重機(jī)”，分子“肌肉”和分子計(jì)算芯片。
第三步是設(shè)計(jì)分子馬達(dá)。費(fèi)林加就是第一個(gè)研究出分子馬達(dá)的人。1999年，他研制出一個(gè)分子旋轉(zhuǎn)葉片，能夠朝一個(gè)方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)——這個(gè)東西就是分子馬達(dá)。
在這個(gè)基礎(chǔ)上，他成功讓一個(gè)玻璃圓筒開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，要知道，這是一個(gè)比分子馬達(dá)大上1萬(wàn)倍的圓筒。后來(lái)，他又設(shè)計(jì)了一輛納米小車(chē)。至此，他將分子由穩(wěn)態(tài)變?yōu)槟軌蜻\(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，并初步實(shí)現(xiàn)控制。
分子機(jī)器會(huì)怎樣改變我們的生活？
中科院院士田禾介紹，生物體內(nèi)的很多活動(dòng)，其實(shí)都有賴(lài)于分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。科學(xué)家研究細(xì)胞分裂、DNA復(fù)制、物質(zhì)運(yùn)輸、肌肉收縮等生命活動(dòng)，追溯到分子層面后，發(fā)現(xiàn)它們都是眾多分子機(jī)器做功的結(jié)果。因此，化學(xué)家可以和生命科學(xué)家合作，通過(guò)設(shè)計(jì)、合成分子機(jī)器來(lái)模擬各種生命現(xiàn)象。
諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)指出，目前，分子機(jī)器處在概念應(yīng)用階段，盡管分子機(jī)器目前還沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用，未來(lái)它會(huì)怎樣改變?nèi)祟?lèi)的生活？據(jù)介紹，它有望用于更精準(zhǔn)的疾病檢測(cè)、藥物輸送，超高密度信息存儲(chǔ)、能量存儲(chǔ)，新材料、傳感器等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用前景不可限量。
進(jìn)入人體細(xì)胞，還能“撐”死癌細(xì)胞
記者在采訪中得知，分子機(jī)器還可應(yīng)用于尖端的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院研究員秦天石博士舉例，如在針對(duì)癌癥患者的腫瘤治療中，分子機(jī)器便可以派上大用場(chǎng)。
腫瘤細(xì)胞本身就已足夠微小，小到現(xiàn)在的機(jī)器人技術(shù)根本無(wú)法進(jìn)入。此時(shí)，“身量短小”的分子機(jī)器便有了用武之地，它可以通過(guò)血液的流動(dòng)，進(jìn)入人體的正常細(xì)胞和癌癥細(xì)胞內(nèi)。而和正常細(xì)胞相比，癌癥細(xì)胞的細(xì)胞膜較為脆弱。如果在人體外施加電磁場(chǎng)或是加熱的引導(dǎo)，人體細(xì)胞里的分子機(jī)器便能感受到外界的能量，從而發(fā)生形變，使得體積變大。變大后的分子機(jī)器就會(huì)撐破癌細(xì)胞的細(xì)胞膜，從而使癌細(xì)胞的“生存質(zhì)量”大打折扣，甚至是死亡。秦天石介紹，目前，這項(xiàng)研究已經(jīng)在國(guó)內(nèi)科學(xué)家的努力下取得了階段性的進(jìn)展，使得這一展望有了實(shí)現(xiàn)的可能。
除了在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，分子機(jī)器在半導(dǎo)體領(lǐng)域也有突出的貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)于信息儲(chǔ)存方式的改變，未來(lái)，你可能再也不會(huì)抱怨U盤(pán)的儲(chǔ)存空間不夠大了，因?yàn)榉肿訖C(jī)器的應(yīng)用，你的U盤(pán)可以存進(jìn)更多的照片和視頻影像資料等。
南工教授正開(kāi)發(fā)“超長(zhǎng)待機(jī)”電池
南京工業(yè)大學(xué)林宗瓊博士告訴記者，分子機(jī)器的核心其實(shí)是分子尺度可控的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。將分子運(yùn)動(dòng)的“超分子作用力”運(yùn)用到有機(jī)半導(dǎo)體和柔性電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)“超分子作用力”對(duì)半導(dǎo)體性能的可控調(diào)節(jié)，會(huì)給柔性電子材料的研究帶來(lái)新的研究機(jī)遇。
以中國(guó)科學(xué)院院士，南京工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)黃維教授為首的先進(jìn)材料研究團(tuán)隊(duì)，正在探索將石墨烯等有機(jī)光電材料應(yīng)用于可攜帶電池的研發(fā)。“超長(zhǎng)待機(jī)電池”的特點(diǎn)是壽命超長(zhǎng)、存儲(chǔ)量大，充一次電后使用時(shí)間可達(dá)一周以上，電池使用壽命可延長(zhǎng)至10-15年。
除了可穿戴設(shè)備外，柔性電子還可應(yīng)用在健康指數(shù)、醫(yī)療檢測(cè)、生命體征等健康醫(yī)療領(lǐng)域。黃維院士舉例說(shuō)，只要將生物智能芯片植入獨(dú)居的老人體內(nèi)，便可進(jìn)行全程適時(shí)監(jiān)控老人的各項(xiàng)生理指標(biāo)，諸如腦血栓、高血壓之類(lèi)病情一旦發(fā)生顯著變化，便會(huì)經(jīng)由智能芯片第一時(shí)間發(fā)送給家人和附近的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，贏得搶救的黃金時(shí)間。
兩位獲獎(jiǎng)?wù)吆椭袊?guó)頗有淵源
“今年的諾獎(jiǎng)是對(duì)分子機(jī)器領(lǐng)域發(fā)展方向的肯定，中國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，但目前已有一大批年輕人從事這方面研究。”復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授黎占亭介紹，除了紹瓦熱教授已退休外，另外兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩膶?shí)驗(yàn)室中，都有很多中國(guó)留學(xué)生，他們?yōu)橹袊?guó)培養(yǎng)了不少人才。華東理工大學(xué)、吉林大學(xué)、武漢大學(xué)、浙江大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等，都有斯托達(dá)特和費(fèi)林加的學(xué)生在開(kāi)展科研。
△荷蘭科學(xué)家費(fèi)林加
浙江大學(xué)化學(xué)系特聘研究員李昊就是斯托達(dá)特的學(xué)生。他說(shuō)，斯托達(dá)特非常喜歡招收中國(guó)留學(xué)生，因?yàn)橹袊?guó)學(xué)生非常勤奮，他喜歡中國(guó)人努力的工作態(tài)度。由此，斯托達(dá)特也很喜歡來(lái)中國(guó)，2005年被華東理工大學(xué)授予名譽(yù)教授，他還是天津大學(xué)的兼職教授。
雖然這是項(xiàng)離現(xiàn)實(shí)應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)的研究，卻使科學(xué)家對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的操控達(dá)到了前所未有的新高度。其實(shí)，在生命體中，科學(xué)家早就看到了分子機(jī)器的存在，但生物分子機(jī)器結(jié)構(gòu)和機(jī)制復(fù)雜，一旦可以通過(guò)化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)分子機(jī)器的精確構(gòu)建，將可能引來(lái)材料和信息技術(shù)的新一輪大發(fā)展。
