2016諾貝爾化學獎》發明世界最小機器 成為奈米研究基石

2016-10-06 01:04

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世界上存在小到只有千分之一頭髮絲粗細的機器嗎?答案就是新科諾貝爾化學獎的三位得主的研究—分子機器(molecular machines) 。 分子機器是指在分子層面的微觀尺度上設計開發出來的機器,若提供能量給他們時則可移動執行特定任務,是奈米研究領域的重點。

諾貝爾獎評選委員會表示,讓法國的索瓦希(Jean-Pierre Sauvage)、英國的史托達特(Sir J. Fraser Stoddart)、荷蘭的費倫加(Bernard L. Feringa)三位科學家發明「世界上最小的機器」,將化學發展推向了一個新的面向。 這是一個關於科學家們如何將分子成功連接起來並設計出從微型電梯、微型發動機到分子肌肉的故事。人類是如何用自己一雙大手來製造出需要電子顯微鏡才能觀察到的分子機器 ? 能夠發明分子機器,首先最重要的就是這三位科學家努力驅動分子系統,遠離所謂的「平衡狀態」。

所有的化學系統都力圖達到平衡狀態,可以減少能量消耗,但是這也會形成「僵局」。 就像人的生命一樣,人體內的分子可以從食物中獲取能量,進而推動人體的分子系統脫離平衡狀態,向更高水準的能量狀態發展,這樣人體才有可能利用這些能量推動身體正常工作 ,維持生命。而一旦人體處於化學平衡狀態,人就會死亡。

三位科學家的成就能夠獲得諾貝爾獎的青睞,就在於他們的研究促使分子系統擺脫了平衡狀態, 並能在受控制的狀況下執行特定任務,為化學的發展開啟了一個新世界。 邁向分子機器的第一步是索瓦希於1983年實現的,他成功將兩個環狀分子扣在一起 ,形成一種名為「交環烷」(catenane)的鏈條。通常情況下,分子是由原子間共享電子對構成的強共價鍵 連接而成,而「交環烷」上的分子間主要依靠相對較為自由的機械相互作用連接,不被任何價鍵連接。對於一個能夠完成特定任務的機器來說,必須有能夠相互移動的部件組成,而索瓦希實現了兩個互鎖環狀分子的相對移動。


到了1991年,史托達特實現了分子機器誕生的第二步,他成功合成了「輪烷」(rotaxane)。輪烷是一個或多個環狀分子和一個或多個啞鈴狀的線形分子為軸組成的分子集合。啞鈴狀的線形分子作軸穿過環狀分子的空腔,兩端結合有體積較大分子以防止線形分子滑出,從而形成 了穩定的輪烷結構。

基於上述研究成果,史托達特的研究團隊先後成功實現以輪烷為基礎,進而研發出可上升0.7奈米的「分子電梯」(molecular lift),用輪烷構成的「分子肌肉」成功彎折了一塊很薄的金箔,還開發出一種基於輪烷的計算機芯片,被認為在將來有望顛覆傳統的計算機芯片技術。

2016年諾貝爾化學獎得主費倫加(Bernard L. Feringa)(AP)
2016年諾貝爾化學獎得主費倫加(Bernard L. Feringa)(AP)

費倫加則是設計出「分子馬達」(molecular motor)的第一人。1999年,他研製了一個分子轉子葉片,葉片能夠朝著同一方向持續旋轉。這個馬達可以讓一個28微米長、比馬達本身 大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。2011年,費倫加的研究小組在分子馬達的基礎上製造了一部「奈米車」(nanocar),一個分子底盤將4個分子馬達連接在一起作為輪子,當分子馬達旋轉時, 奈米汽車就能向前行駛。

至此,分子機器動起來了。 近年來,三位諾貝爾獎得主的成果已經成為全世界科研人員開發分子機器的基礎,開創了分子機器的發展道路。目前已有科學家在輪烷的基礎上建造出一個可以抓取並連接氨基酸的分子機器人;還有研究人員將分子馬達和長聚合物相連,形成複雜的網路,將光能儲存在分子中,有望開發出新型電池及光控感測器。

諾貝爾獎評選委員會表示,就像電動馬達被發明出來時,科學家從未想過它會在電氣火車、洗衣機、電風扇上被廣泛運用,給人類生活帶來翻天覆地的變化。正如當年的電動馬達一樣,分子機器未來很有可能將用於開發新材料、新型感測器和能量存儲系統 等,為人類的未來提供了無限可能。

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