2016年諾貝爾化學獎解讀

本屆諾貝爾化學獎似乎是物理獎的連續(xù)劇。為了更形象地解釋諾貝爾化學獎的關鍵成果——將環(huán)狀分子互鎖成鏈狀或結狀結構的機械鍵——諾貝爾組委會再次選用面包來形象說明,他們拿出兩個套在一起的面包圈,解釋一對彼此獨立但又相連的分子。

瑞典皇家科學院宣布將2016年度諾貝爾化學獎授予讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特和伯納德·費林加三位科學家,因為他們在“設計和合成分子機器”領域的開創(chuàng)性研究,而這些研究的起點是從機械鍵開始的。

從機械鍵到分子鏈

早在上世紀50年代,為了創(chuàng)建更加高級的分子結構,一些化學家就提出了機械鍵的概念。

分子間相互作用一般是通過不同分子內(nèi)原子間共用電子形成強有力的共價鍵,但環(huán)狀分子通過機械鍵相互作用,原子間并不直接相互作用,因此鍵力更“松散”,兩個分子能夠相互活動,從而構建出想要的分子機器。

機械鍵提出后的最初十年,一些科研團隊在實驗室合成分子鏈,始終無法達到實用需求。隨后幾年,該領域研究一直不見成效。

但1983年的一個巨大突破完全扭轉了局面:法國科學研究中心主任讓-皮埃爾·索瓦日帶領團隊利用普通的銅離子,將兩個分子環(huán)互鎖成分子鏈,且形成分子鏈的分子占比達到了驚人的42%之多。分子鏈從此不再只是傳奇,大步踏上功能化學行列。

索瓦日將兩個環(huán)狀分子互鎖相連的分子鏈取名為“索烴”,隨后他和斯托達特基于索烴研發(fā)出三葉結、博羅環(huán)和所羅門結等具有文化象征意義的分子結構。但這些只是鋪墊,2016年諾貝爾化學獎的主角是分子機器。

 分子機器預言成真

關于分子機器,著名的諾貝爾獎獲得者理查德·費曼曾指出,未來我們會用分子造出含有多個活動部件的機器,這種機器小到只有用電子顯微鏡才能看到,“未來25年到30年內(nèi),這種分子機器會獲得實際運用,但最先用的是什么機器,我不知道。”

費曼的預言似乎成真了。索瓦日的索烴結構讓他成功跨出了分子機器研發(fā)的重要第一步:索烴內(nèi)機械鍵允許兩個分子進行相對運動,滿足了機器執(zhí)行任務的基本條件。1994年,他的團隊通過施加能量,成功讓索烴內(nèi)的一個環(huán)繞著另一個環(huán)按一定方式旋轉。

斯托達特于1991年研發(fā)出一種名叫“輪烷”的分子結構,邁出分子機器研究的第二步:將一個分子環(huán)串到一根分子軸上,并證明分子環(huán)能沿著分子軸像織布梭一樣前后穿梭。1994年之后,斯托達特的研究團隊基于輪烷研制出不同的分子機器,包括能升高0.7納米的分子電梯,能將一塊超薄金片彎曲的分子肌肉,以及能儲存20000字節(jié)數(shù)據(jù)的分子芯片,有望像硅基晶體管一樣給計算機技術帶來革命性變化。

從1990年代開始,許多科學家競相研制分子馬達,但伯納德·費林加成為第一個沖過終點的科學家。1999年他研制出世界上第一個分子馬達,并成功通過機械作用讓一個分子馬達的葉片沿著一個方向持續(xù)螺旋轉動。經(jīng)過不斷優(yōu)化,2014年他的分子馬達轉速已達到每秒1200萬轉。之后,費林加團隊又成功設計出用四個分子馬達當車輪、能沿著平面前進的納米車。

開創(chuàng)化學研究新局面

這些能獲得諾貝爾獎這一至高榮譽的分子機器研究,打破了化學領域多年來尷尬的局面。分子馬達可與1830年代的電動機相提并論,這些分子機器將廣泛用于研發(fā)新材料、傳感器和能源儲存系統(tǒng)等領域。

首先,這些分子機器的研發(fā)可為全世界正在研發(fā)越來越高級化合物的科學家提供工具箱,比如2013年科學家成功以輪烷為基礎開發(fā)出分子機器人,它能抓取氨基酸并將氨基酸連接起來形成新的蛋白結構。

再有,科學家成功將分子馬達與長鏈聚合物相連,當暴露在陽光下時,這些馬達會將聚合物卷成雜亂的捆狀,通過這種方式把光能儲存在分子中,有望研發(fā)出一種全新的電池。馬達與聚合物纏繞也會讓材料收縮,因此也能用來研制對光敏感的傳感器。