“纯化学”科学家研发最小“机器”

  近日，2016年诺贝尔化学奖在瑞典斯德哥尔摩公布 ，法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦日教授、美国西北大学的弗雷泽·斯托达特爵士以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加教授获此殊荣，获奖理由是“分子机器的设计与合成”。据介绍，它有望用于更精准的疾病检测、药物输送，超高密度信息存储、能量存储，新材料、传感器等众多领域，应用前景不可限量。 　

　什么是分子机器 　　据复旦大学化学系黎占亭教授介绍，简单来说，分子机器是在分子水平上，由一个分子或几个分子，通过分子的运动，实现宏观机器的运动。 　　黎占亭介绍，第一位获奖者让-皮埃尔·索瓦日教授的导师曾于1987年因“超分子化学”获得诺贝尔化学奖。此次让-皮埃尔·索瓦日教授的贡献在于第一个在分子机器研发领域开展工作。1983年，他通过配位作用，构建超分子结构，成功地将两个环形分子连接起来，形成了一根链。一架机器要能执行任务，其各个组成部分之间必须具有相对运动的能力，这两个相互扣合的环形分子正好符合这个要求。 　　华东理工大学化学与分子工程学院教授、中科院院士田禾介绍，1991年，美国化学家斯托达特第一个提出“分子梭”概念，即在一个刚性棒状分子上套一个分子大环——轮烷，分子大环能在分子棒上来回穿梭。“在给予能量后，分子机器的各个模块就会做相对运动，像我们熟悉的机器那样”。 　　第三位获奖者伯纳德·L·费林加教授则是研究出分子马达的第一人，在光控单分子马达领域有开创性的工作。田禾介绍，费林加合成的是“分子马达”，它有一个固定基座，位于基座上部的分子会做360度定向转动，与宏观世界的机械马达很像。1999年，他研究出分子旋转叶片。利用分子马达，他让一个比马达大上1万倍的玻璃杯成功旋转。 　　“今年获得诺贝尔化学奖的三位科学家研制出了三种分子机器，其状态各不相同。他们的开创性工作让人类认识到，可用分子为材料，设计、建造微观世界的机器。”田禾说。
 　分子机器有何意义和应用价值 　　分子机器的问世有什么意义和应用价值？田禾说，生物体内的很多活动，其实都有赖于分子机器的运转。科学家研究细胞分裂、DNA复制、物质运输、肌肉收缩等生命活动，追溯到分子层面后，发现它们都是众多分子机器做功的结果。因此，化学家可以和生命科学家合作，通过设计、合成分子机器来模拟各种生命现象。 　　分子机器还能用来存储信息，构建神奇的“分子计算机”。2007年，斯托达特带领团队研制出一种能超高密度存储信息的分子芯片，其存储密度达到了2020年硅基芯片的水平。华东理工大学化学与分子工程学院教授曲大辉解释说，硅基芯片的信息存储密度遵循摩尔定律(在价格不变情况下，集成电路上可容纳的元器件数目和性能，每隔18—24个月会提高1倍)，但这个定律会遇到发展瓶颈，而分子芯片能实现分子尺寸上的信息存储，所以不遵循摩尔定律，在存储密度上能大幅超越硅基芯片。 　

　诺贝尔奖评审委员会指出，目前，分子机器处在概念应用阶段，尽管“分子机器”目前还没有实际的应用，未来它会怎样改变人类的生活？据介绍，它有望用于更精准的疾病检测、药物输送，超高密度信息存储、能量存储，新材料、传感器等众多领域，应用前景不可限量。