分子機器：微觀世界的“大力士”

每年諾貝爾獎都有些冷門，今年也不例外：民謠歌手鮑勃·迪倫“跨界”奪得文學獎﹔而在化學獎方面，三位從事基礎化學研究的科學家因“分子機器的設計與合成”而獲獎，多少出乎學界預料。

今年化學獎的三位獲獎者分別為：來自法國斯特拉斯堡大學的讓—皮埃爾·索瓦日、來自美國西北大學的J·弗雷澤·斯托達特爵士以及來自荷蘭格羅寧根大學的伯納德·L·費林加。

不少學者評論，“分子機器”屬於比較前沿、基礎的研究，距離應用尚遠。似乎不符合諾獎偏重應用的“傳統”。不過，這項研究獲諾獎青睞，無疑是對基礎科學研究的認可，這對於從事基礎研究的科研人員來說，是激勵與鼓舞。

成果如何 已制出分子電梯分子纜車等

何為分子機器？曾跟隨斯托達特在西北大學讀博士的浙江大學化學系研究員、博士生導師李昊這樣描述：簡單來說，就是生物體內那些像機器一樣運轉的東西，可用燒瓶、試管等儀器，用基本的非生命體化合物合成出來，並用這些非生命體的分子機器來模擬生命體的分子機器的運轉。

人類能用自己的“巨手”造出微小尺度的機器嗎？科學家有兩種思路：一種是通過制造比人類手更小的機器，由它再制造更小的機器。

另一種是曾經的諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼的構想：在例如硅表面上，由下而上地噴射一層又一層原子，之后將一些層溶解，從而得到可使用電流來控制的移動部件。

事實上，早在費曼提出其構想前，科學家們就嘗試用多種方式把分子連接起來，以實現某種功能。獲得今年諾貝爾化學獎的科學家索瓦日，在1983年成功地將兩個環狀分子連接在一起，形成了一條特殊的“分子鎖鏈”，學名“索烴”。

索瓦日的辦法是“輔助連接體法”：這種方法借用一個一價銅離子，將一個半圓形分子和環狀分子吸引在一起，再將兩個半圓形分子“焊死”成一個環，從而達成“一環套一環”的效果。至今，科學家們已經制造了類似奧運五環和央視台標等多種多樣的“分子鎖鏈”。

更進一步，上世紀90年代，獲得今年諾貝爾化學獎的科學家斯托達特設計出了“輪烷”：簡單來說，就是將一個分子環套在一個長條狀的啞鈴狀分子上，在這條軸的兩端設置有鍵連接點，通過改變環境的PH值，就能控制分子環在連接點來回移動。而除了用PH值控制開關外，隨后科學家們又研究出可用光、熱乃至某些特定化學物質控制的開關。

在超分子領域頗有建樹的化學家——中國科學院化學研究所研究員、博士生導師陳傳峰認為，這兩位科學家開創了利用互鎖型有機超分子組裝體構筑分子機器的研究方向。“（索瓦日的研究）打開了基於互鎖型有機超分子組裝體構筑分子機器研究的大門﹔斯托達特利用他們自己發展的環蕃類大環主體，首次通過給體與受體之間的相互作用制備了輪烷型超分子組裝體，為分子機器的設計和構建奠定了堅實的基礎。”陳傳峰說。

他介紹，此后，科學家基於互鎖型有機超分子組裝體，設計合成了多類分子機器，例如：分子電梯、分子肌肉、分子纜車和分子滑輪等。

面臨挑戰 科學家發愁“最小機械”怎麼用

在索瓦日等科學家的研究基礎上，費林加首先研究出了能夠做功的分子馬達。在1999年，他制作了一個分子轉子葉片，能夠持續朝一個方向旋轉。

“不同於索瓦日和斯托達特，費林加的分子機器主要利用具有擁擠結構的烯烴類有機分子，巧妙地設計合成了一類可重復進行單向旋轉的分子馬達。這種分子馬達在光和熱的驅動下進行旋轉，可驅動比其自身大數千倍的物體運動。”陳傳峰解讀道。

頗為有趣的是，2011年，費林加團隊制作了一個納米尺度的“小車”，同汽車一樣，它也有底盤，有四個車輪，通過分子馬達車輪旋轉向前行駛。當然，從宏觀視角來看，這台“車”如果與烏龜賽跑的話，烏龜的速度可說是風馳電掣，因為這台車的速度僅為每小時幾納米。

所謂馬達，與鎖鏈、開關、電梯等最大的不同在於，它能夠做功，也即能夠進行能量輸出，如人體的肌肉纖維，是一種比“分子車”等復雜千百倍的分子馬達。目前，包括三位獲獎科學家在內的多個團隊已制造出用光、電、化學能等驅動的分子馬達，但就像費林加所說的，“人工設計的分子馬達還隻具有初級的、簡單的結構和功能”。

對此，科學家也發愁這種“最小的機械”到底能怎麼用，甚至連研制出分子馬達的費林加也曾表示，“我們已制造出五六十種不同的馬達，我現在更關心的是怎麼使用它們，而不是再造出一種新的馬達來。”

不過，對於分子馬達，諾獎委員會給出了這樣的評價：“從歷史發展來看，分子馬達和1830年代的電動機的地位相似，當時科學家們展示了各種各樣的旋轉曲柄和輪子，卻並不知道這些東西最終將導致電車、洗衣機、風扇以及食品加工機的產生。”

為使分子機器更好地發展以接近實際應用，陳傳峰認為，至少可從以下幾方面來繼續研究：“首先是分子機器理論的突破，比如分子機器的設計方法、原理以及確定分子機器做功參數。其次是能夠做功和響應刺激分子機器的設計與構建，如何利用目前已積累的功能基團來構造復雜的、多功能的精巧分子機器，仍是一個挑戰與難題。

另外，陳傳峰指出，“當前絕大多數分子機器研究集中在溶液中，將分子機器與外界整合是實現其對外部環境做功的重要途徑，這可能也是分子機器由基礎研究走向實際應用需要解決的問題之一。”

陳傳峰還告訴記者，“今年的諾貝爾化學獎由相對基礎的‘純化學’領域獲得，無疑是對基礎科學研究的認可，這對於從事基礎研究的科研人員來講是個激勵與鼓舞。”

中國起步較晚但成果已不少

“2006年，‘分子機器’項目作為一項前沿研究入選了國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）。”陳傳峰介紹，我國在分子機器領域的研究起步較晚，但也逐漸形成了一些具有重要影響的研究團隊，在分子機器的設計合成等方面取得了不少具有特色的創新成果。

也有評論認為，包括陳傳峰團隊在內，在“分子機器”相關領域，我國多個研究團隊的貢獻也是“世界級”的。

另外，本次諾貝爾化學獎得主之一斯托達特，除了在美國西北大學有教職外，同時也以兼職教授身份受聘於天津大學。據天津大學新聞網介紹，2014年7月，斯托達特受聘成為天津大學藥學院教授，並帶來其科研團隊的三位核心成員在天津大學全職工作。他每年則在天津大學工作兩個月，面向本碩博學生開設課程。另兩位獲獎學者和國內高校、科研人員交流也很頻繁。

談及這次諾獎結果，陳傳峰表示，分子機器獲獎為有機超分子化學的研究帶來了新的契機，是有機超分子化學研究的“第二春”。

陳傳峰特別提到，不同於大多數獲獎項目，分子機器尚是一個十分“年輕”的研究領域，我們仍舊可以大有作為。“這次諾貝爾化學獎頒獎結果，相信會激勵更多學者踏踏實實地投身於基礎科學研究領域”。

具體到國內，陳傳峰說：“過去一二十年，國家在基礎研究領域也有比較大的投入，硬件設施逐步完善並達到了國際先進水平，在國內進行基礎研究的環境，總體上是良好的。”

“從自身的角度講，熱愛和興趣是做好科研的必備要素。我們不僅需要花費很多時間進行知識儲備，去從戰略上把握學科發展的重點與難點，甚至於引領學科的發展，還需要投入大量的精力在實驗探索上。總之，基礎科研需要我們有熱愛和奉獻精神。”陳傳峰說。（記者 王詩? 策劃/統籌 李江萍）