“世界上最小的机器”将开启新材料的大门

 

  世界上最小的机器

 

  用一句话来描述这项科学成就,就是三位科学家开发了世界上最小的机器。小到什么程度呢?只有人类头发的千分之一大小。他们成功地将分子连在一起,共同设计了包括微型电梯、微型电机、人工肌肉等在内的所有分子机器。

 

  新科得主荷兰化学家伯纳德·费林加在一次采访中曾这样阐述他们的研究与创造的意义:也许化学的力量不仅在于理解,更在于创造,制造出前所未有的分子和材料。

 

  分子机器发展阶段的三级跳

 

  第一阶段:1983年,索烃,非生物分子机器的最初雏形。

 

  通常情况下,分子们是被强力的共价键维系的,原子在其中共享电子。而学光化学的让-皮埃尔·索维奇发现光化学分子模型与分子链有相似之处——一个核心铜离子周围缠着两个分子。于是,他的研究组构建了一个环状的分子和一个新月形的分子,并用铜离子作为凝聚力使两个分子聚拢,再用化学手段将它们 “焊接”到一起,移走铜离子后就组成了第一个分子环扣——索烃。这是非生物分子机器的最初雏形。

 

  第二阶段:1991年,轮烷,分子机器诞生的第二步。

 

  1991年,弗雷泽·斯托达特的团队造出了一个缺电子的“开环”,和一根两处富集电子长棒——“轮轴”。二者相遇时,“缺电子”和“富电子”自然就会彼此吸引,于是环被套进了轴上,他们得到了“轮烷”——一个套在轴上并能在两个富电子部分之间前窜后跳的环状分子。当他们能完全控制“轮烷”的运动后,许多分子机器,包括电梯、人造肌肉、分子芯片等被创造出来。分子芯片与现有的计算机芯片相比,后者简直就是庞然大物,前者则为人们提供更小更强大的计算机处理系统;而人造肌肉甚至可以把一块非常薄的金箔弄弯。

 

  第三阶段:1999年,分子马达,分子机器动起来了。

 

  让分子机器高效运作起来的是荷兰人伯纳德·L·费林加研发的分子马达。正常情况下,分子的运动是随机的,一个旋转的分子向左与向右转动的概率大体相同,制造出能够在同一方向上持续旋转的马达对于分子机械工程来说是重要的目标。1999年,费加林通过机械构建,设计出了一种小旋翼叶片般的分子,每个叶片分别与一个甲基相连,它们和叶片一起如同齿轮般运作,迫使分子只朝一个特定方向旋转,这就是第一个分子马达。费林加使用分子马达转动了比马达本身大一万倍的玻璃圆筒,还制造了一个“四轮驱动”纳米车——一个分子底盘将四个马达联结在一起,当作车轮使用。当车轮旋转时,纳米车就在表面上向前行驶。经过不断的优化。2014年分子马达的旋转速度已经达到了每秒1200万转。

 

  控制分子活动的技术

 

  发布会上,诺贝尔化学奖评奖委员会成员奥洛夫形容分子机器“充满能量”,“掌握了如何控制分子活动的技术”。就像19世纪30年代,当电动马达被发明出来时,科学家未曾想过它会在电气火车、洗衣机、电风扇上等被广泛运用。而分子机器正如当年的电动马达一样,未来很有可能将用于开发新材料、新型传感器和能量存储系统等。分子机器在未来最有可能被用于新材料,传感器和能量储存等领域。

 

  费林加教授表示,“一旦在分子层面控制了运动,就为控制其他各种形式的运动提供了可能。这一研究成果为未来新材料的研发开启了广阔前景。虽然目前分子机器的实际应用仍处在早期阶段,随着分子机器技术的发展,将来利用分子机器制造的微型汽车,甚至人造机器人将会被广泛运用于医疗领域。”

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