他們發(fā)明了“世界最小機(jī)器” —— 文章正文2016-10-10

核心提示：（原標(biāo)題：他們發(fā)明了世界最小機(jī)器）

（原標(biāo)題：他們發(fā)明了“世界最小機(jī)器”）

瑞典皇家科學(xué)院5日宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予讓?zhuān)ぐ?middot;索瓦日、弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·費(fèi)林加這三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器設(shè)計(jì)與合成領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

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將化學(xué)發(fā)展推向了新維度

瑞典皇家科學(xué)院常任秘書(shū)戈蘭·漢松于當(dāng)?shù)貢r(shí)間11時(shí)45分（北京時(shí)間17時(shí)45分）在皇家科學(xué)院會(huì)議廳公布了獲獎(jiǎng)?wù)呙麊渭矮@獎(jiǎng)成就。分子機(jī)器是指在分子層面的微觀尺度上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的機(jī)器，在向其提供能量時(shí)可移動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在聲明中說(shuō)，這三位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)明了“世界上最小的機(jī)器”，將化學(xué)發(fā)展推向了一個(gè)新的維度。

評(píng)選委員會(huì)表示，就像19世紀(jì)30年代，當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)被發(fā)明出來(lái)時(shí)，科學(xué)家未曾想過(guò)它會(huì)在電氣火車(chē)、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇上等被廣泛運(yùn)用。而分子機(jī)器正如當(dāng)年的電動(dòng)馬達(dá)一樣，未來(lái)很有可能將用于開(kāi)發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

費(fèi)林加在現(xiàn)場(chǎng)電話連線時(shí)說(shuō)，得獎(jiǎng)消息令自己“很震驚”，同時(shí)感到榮幸。他表示，榮譽(yù)屬于全體科研合作者，大家的共同努力才成就了如此驕人的成果。費(fèi)林加對(duì)其獲獎(jiǎng)成就解釋說(shuō)：“一旦在分子層面控制了運(yùn)動(dòng)，就為控制其他各種形式的運(yùn)動(dòng)提供了可能。這一研究成果為未來(lái)新材料的研發(fā)開(kāi)啟了廣闊前景。”今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金共800萬(wàn)瑞典克朗（約合93.33萬(wàn)美元），將由這三位獲獎(jiǎng)?wù)咂椒帧?/p>

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只有千分之一頭發(fā)絲粗細(xì)

世界上存在小到只有千分之一頭發(fā)絲粗細(xì)的機(jī)器嗎？答案就是剛剛助力三位科學(xué)家摘得2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的分子機(jī)器。

能夠發(fā)明分子機(jī)器，首先最重要的就是這三位科學(xué)家努力驅(qū)動(dòng)分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離所謂的平衡態(tài)。所有的化學(xué)系統(tǒng)都力圖達(dá)到平衡態(tài)，可以減少能量消耗，但是這也會(huì)形成“僵局”。

就像人的生命一樣，人體內(nèi)的分子可以從食物中獲取能量，進(jìn)而推動(dòng)人體的分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，向更高水平的能量狀態(tài)發(fā)展，這樣人體才有可能利用這些能量推動(dòng)肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學(xué)平衡態(tài)，人就會(huì)死亡。三位科學(xué)家的成就能夠獲得諾獎(jiǎng)青睞，就在于他們的研究促使分子系統(tǒng)擺脫了平衡態(tài)，并能受控執(zhí)行特定任務(wù)，為化學(xué)的發(fā)展開(kāi)啟了一個(gè)新世界。

邁向分子機(jī)器的第一步是索瓦日于1983年實(shí)現(xiàn)的，他成功將兩個(gè)環(huán)狀分子扣在一起，形成一種名為“索烴”的鏈條。通常情況下，分子是由原子間共享電子對(duì)構(gòu)成的強(qiáng)共價(jià)鍵連接而成，而“索烴”鏈上的分子間主要依靠相對(duì)較為自由的機(jī)械相互作用連接，不被任何價(jià)鍵連接。對(duì)于一個(gè)能夠完成特定任務(wù)的機(jī)器來(lái)說(shuō)，必須有能夠相互移動(dòng)的部件組成，而索瓦日實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)互鎖環(huán)狀分子的相對(duì)移動(dòng)。到了1991年，斯托達(dá)特實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器誕生的第二步，他成功合成了“輪烷”。

輪烷是一個(gè)或多個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)或多個(gè)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(guò)環(huán)狀分子的空腔，兩端結(jié)合有體積較大分子以防止線形分子滑出，從而形成了穩(wěn)定的輪烷結(jié)構(gòu)。

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全球科研人員的“工具箱”

基于上述研究成果，斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊(duì)先后成功實(shí)現(xiàn)環(huán)狀分子在線形分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構(gòu)成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開(kāi)發(fā)出一種基于輪烷的計(jì)算機(jī)芯片，被認(rèn)為在將來(lái)有望顛覆傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)。

費(fèi)林加則是研發(fā)出分子馬達(dá)（分子發(fā)動(dòng)機(jī)）的第一人。1999年，他研制了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個(gè)馬達(dá)可以讓一個(gè)28微米長(zhǎng)、比馬達(dá)本身大1萬(wàn)倍的玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來(lái)。2011年，費(fèi)林加的研究小組在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上制造了一款四驅(qū)納米汽車(chē)，一個(gè)分子底盤(pán)將4個(gè)分子馬達(dá)連接在一起作為輪子，當(dāng)分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，納米汽車(chē)就能向前行駛。

至此，分子機(jī)器動(dòng)起來(lái)了。近年來(lái)，三位諾獎(jiǎng)得主的成果已經(jīng)成為全世界科研人員開(kāi)發(fā)分子機(jī)器的“工具箱”，開(kāi)創(chuàng)了分子機(jī)器的發(fā)展道路。目前已有科學(xué)家在輪烷的基礎(chǔ)上建造出一個(gè)可以抓取并連接氨基酸的分子機(jī)器人；還有研究人員將分子馬達(dá)和長(zhǎng)聚合物相連，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，將光能儲(chǔ)存在分子中，有望開(kāi)發(fā)出新型電池及光控傳感器。