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瑞典皇家科學(xué)院當(dāng)?shù)貢r間5日宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎授予法國科學(xué)家紹瓦熱，英國科學(xué)家斯托達(dá)特，和荷蘭科學(xué)家費(fèi)林加。以表彰他們在分子機(jī)器設(shè)計與合成領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。這三名科學(xué)家將平分約合620萬元人民幣的獎金。
據(jù)介紹，這個分子機(jī)器比頭發(fā)絲的千分之一還細(xì)，被稱為“世界上最小的機(jī)器”。那么，分子機(jī)器會對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，通常使用顯微鏡來觀測。
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，能夠識別，甚至能夠“動”起來。當(dāng)然，要讓它動起來，需要研發(fā)一種機(jī)器，這種機(jī)器就是三位諾獎獲得者所做出來的分子機(jī)器。
據(jù)諾獎官網(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)”。
別小看這個機(jī)器，它和歷史上的電動馬達(dá)有著很大的相似之處。19世紀(jì)30年代，電動馬達(dá)問世，然而，在那個年代科學(xué)家看來，電動馬達(dá)只是各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子，卻沒意識到這些東西將導(dǎo)致電車、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)器是如何造出來的？
據(jù)諾獎官網(wǎng)的介紹，簡單來說，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?wù)咦龀鰜淼摹?/P>
第一步是將兩個環(huán)狀分子連接在一起。1983年，紹瓦熱實現(xiàn)了這一步，他成功地將兩個環(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”。
一般來說，一個能夠執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器，必須包含可以相對移動的部分，“索烴”正好滿足了這個條件。
接下來是第二步，利用一個分子推動另一個分子運(yùn)動。斯托達(dá)特實現(xiàn)了這一點，1991年，他成功合成出了“輪烷”，即將一個環(huán)形分子套在一個線性分子上，如此，環(huán)形分子就能以線性分子為軸，進(jìn)行運(yùn)動。
在此基礎(chǔ)上，他設(shè)計出了分子“起重機(jī)”，分子“肌肉”和分子計算芯片。
第三步是設(shè)計分子馬達(dá)。費(fèi)林加就是第一個研究出分子馬達(dá)的人。1999年，他研制出一個分子旋轉(zhuǎn)葉片，能夠朝一個方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)——這個東西就是分子馬達(dá)。
在這個基礎(chǔ)上，他成功讓一個玻璃圓筒開始旋轉(zhuǎn)，要知道，這是一個比分子馬達(dá)大上1萬倍的圓筒。后來，他又設(shè)計了一輛納米小車。至此，他將分子由穩(wěn)態(tài)變?yōu)槟軌蜻\(yùn)動的狀態(tài)，并初步實現(xiàn)控制。
分子機(jī)器會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，其實都有賴于分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)?？茖W(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，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，通過設(shè)計、合成分子機(jī)器來模擬各種生命現(xiàn)象。
諾貝爾獎評審委員會指出，目前，分子機(jī)器處在概念應(yīng)用階段，盡管分子機(jī)器目前還沒有實際的應(yīng)用，未來它會怎樣改變?nèi)祟惖纳?？?jù)介紹，它有望用于更精準(zhǔn)的疾病檢測、藥物輸送，超高密度信息存儲、能量存儲，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，如在針對癌癥患者的腫瘤治療中，分子機(jī)器便可以派上大用場。
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)根本無法進(jìn)入。此時，“身量短小”的分子機(jī)器便有了用武之地，它可以通過血液的流動，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，這項研究已經(jīng)在國內(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)。通過對于信息儲存方式的改變，未來，你可能再也不會抱怨U盤的儲存空間不夠大了，因為分子機(jī)器的應(yīng)用，你的U盤可以存進(jìn)更多的照片和視頻影像資料等。
南工教授正開發(fā)“超長待機(jī)”電池
南京工業(yè)大學(xué)林宗瓊博士告訴記者，分子機(jī)器的核心其實是分子尺度可控的機(jī)械運(yùn)動。將分子運(yùn)動的“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，實現(xiàn)“超分子作用力”對半導(dǎo)體性能的可控調(diào)節(jié)，會給柔性電子材料的研究帶來新的研究機(jī)遇。
以中國科學(xué)院院士，南京工業(yè)大學(xué)校長黃維教授為首的先進(jìn)材料研究團(tuán)隊，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)?！俺L待機(jī)電池”的特點是壽命超長、存儲量大，充一次電后使用時間可達(dá)一周以上，電池使用壽命可延長至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、生命體征等健康醫(yī)療領(lǐng)域。黃維院士舉例說，只要將生物智能芯片植入獨居的老人體內(nèi)，便可進(jìn)行全程適時監(jiān)控老人的各項生理指標(biāo)，諸如腦血栓、高血壓之類病情一旦發(fā)生顯著變化，便會經(jīng)由智能芯片第一時間發(fā)送給家人和附近的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，贏得搶救的黃金時間。
兩位獲獎?wù)吆椭袊H有淵源
“今年的諾獎是對分子機(jī)器領(lǐng)域發(fā)展方向的肯定，中國在該領(lǐng)域起步較晚，但目前已有一大批年輕人從事這方面研究?！睆?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?wù)叩膶嶒炇抑校加泻芏嘀袊魧W(xué)生，他們?yōu)橹袊囵B(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)和中國科學(xué)院等，都有斯托達(dá)特和費(fèi)林加的學(xué)生在開展科研。
△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，斯托達(dá)特非常喜歡招收中國留學(xué)生，因為中國學(xué)生非常勤奮，他喜歡中國人努力的工作態(tài)度。由此，斯托達(dá)特也很喜歡來中國，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。
雖然這是項離現(xiàn)實應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)的研究，卻使科學(xué)家對分子運(yùn)動的操控達(dá)到了前所未有的新高度。其實，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，一旦可以通過化學(xué)方法實現(xiàn)對分子機(jī)器的精確構(gòu)建，將可能引來材料和信息技術(shù)的新一輪大發(fā)展。
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