2016年诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔·绍瓦热(Jean-Pierre Sauvage),J·弗雷泽·斯托达特(J. Fraser Stoddart)和伯纳德·L·费林加(Bernard L. Feringa),因其“发明了行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”。信息技术的发展带来了小型化的技术革命,今年的诺贝尔化学奖工作把化学研究带入了一个全新的维度。
1983年,让-皮埃尔·绍瓦热迈出了通往分子机器的第一步,他将两个环状分子连成链状,并将其命名为索烃。随后的1991年,斯托达特成功制备了轮烷,其中一个分子为链,一个分子为环,环分子可以绕链转动。在此基础上,科学家成功研制了分子起重机、分子肌肉和分子芯片。费林加则是发展分子发动机的第一人。
1999年,他制备了一种能够持续朝一个方向转动的分子发动机,用它转动了比它大一万倍的玻璃杯,并且设计了一个微型车。
本届诺贝尔奖获奖者带化学走出了僵局,并用给予能量的方式控制了分子的运动。从发展的眼光看,分子机器之于我们正如电动机之于19世纪的科学界先辈,那时他们并不知道这些线圈和磁石会化为电车、洗衣机、电风扇等等走进千家万户。分子机器很有可能会在未来的新材料、传感器、储能系统等领域大显身手。
2015年12月号的《环球科学》中的《分子马达与纳米火箭》一文就着重介绍了斯托达特和费林加的工作,斯托达特在采访中说道:“这一领域的研究已经走过了漫长的道路,现在是时候向外界证明它们是有用的了。”而获得2016年的诺贝尔化学奖,对于分子机器这个前景无限的新兴领域,无疑是最好的鼓励。
一个机器人沿着预定轨道缓慢行进,时不时停下来伸出手臂收集一下零件,并把收集起来的零件放置在背后一个特别设计的结构里。
一处收集完成后,机器人继续向前行进,重复这一过程——直到按照既定设计把一连串的部件全部收集完毕。如果不告诉你这条流水线其实只有几纳米长,你可能会以为上面描述的是一个高科技工厂中的场景。而在这条纳米流水线中,零件是氨基酸,多个零件则串成了一小段多肽。完成这一系列任务的机器人由英国曼彻斯特大学的化学家戴维·利(David Leigh)所设计,这也是迄今为止在分子尺度上设计出的最复杂的机器人之一。