互动科普

计算机技术的发展向我们展示了技术的小型化如何引发一场革命。但问题是，我们可以把机器做到多小？这是诺贝尔奖得主、伟大的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）1984年在一个非常具有预见性的演讲中提出的著名问题。20世纪50年代，他就预测了纳米技术的发展。他认为，从小到大、自下而上地用原子或分子组装出机械是比较可行的策略。

2016年10月5日下午，2016年诺贝尔化学奖授予了法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·萨维奇（Jean-Pierre Sauvage）、美国西北大学的弗雷泽·斯托达特（J. Fraser Stoddart）和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加（Bernard L. Feringa），正是因为他们“发明了行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”。他们的获奖工作把化学研究带入了一个新维度。

靠机械力锁起的“索烃”新分子体系

通常，分子是由原子通过强有力的共价键结合而形成的。而要实现制造分子机器这一梦想，则要以机械结合代替共价键，也就是让分子之间可以互相连接起来，而它们的原子之间却不直接发生化学相互作用。1983年，让-皮埃尔·萨维奇和他所带领的法国研究团队实现了这一重大突破，他们用一个普通的铜离子实现了对分子的控制。

萨维奇在光化学分子模型的研究中意外发现，一个核心铜离子周围缠绕着两个分子，就像是一条分子链。利用这一模型，他的研究组通过四步合成了一类靠机械力锁起的“索烃”新分子体系（下图）。第一步，环状分子与铜离子结合；第二步，铜离子吸引来另一个新月形分子；第三步，第三个分子连接到第二步中吸引来的新月形分子上；第四步，前两步的两个新月形分子连接成环形，与第一步的环状分子锁合，铜离子被移走。这样，就形成了分子链的第一个环节。

在此基础上，他们还构建出了诸如三叶结等各种各样的“分子结”。这使萨维奇意识到，“索烃”并不只是一类新的分子那么简单。2000年，他的团队成功地将两个环状分子穿到了一起，形成了一个弹性结构，有点像人的肌肉中的细丝（肌丝）。这是一个革命性的方法，振兴了拓扑化学这一研究领域，为创造分子机器迈出了第一步。

图1. 四步法合成“索烃”新分子 图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

“轮烷”新分子体系

弗雷泽·斯托达特为人谦和，很有亲和力，笔者与他展开了多年卓有成效的合作。他的获奖工作正是利用了分子间的亲和力。他的团队于1991年合成出了一个缺电子的开口环状分子，还合成出一根长棒（轮轴），上面有两处富电子的结构（下图第一步）。当在溶液中相遇时，缺电子与富电子的两个分子互相吸引，环就套到了轴上，然后将环闭合（下图第二步），就形成了一类“轮烷”新分子体系：一个环状分子通过机械作用套在一根轴上。加热时，这个环可以在轴的两个富电子部分之间来回穿梭（下图第三步）。

从1994年开始，斯托达特和他的研究团队利用不同的轮烷构建了很多种分子机器，包括纳米级的“电梯”，可以将自己从表面升高0.7纳米；还有人造肌肉，其中的轮烷扭弯了一块非常薄的金箔。斯托达特还和其他研究者合作，开发出了一种基于轮烷的计算机芯片，具有20kB的存储功能。现在计算机芯片中的晶体管虽然已经非常小，但和基于分子的芯片比起来就都是庞然大物了。研究者相信，分子计算机芯片能够像当年的硅基晶体管那样，给计算机技术带来又一次革命。

图2. “轮烷”新分子的形成机制 图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

第一个分子马达

对于分子机械工程来说，制造出一个能在同一方向上持续旋转的马达是一个重要目标。在20世纪90年代，众多的研究者在这个方向上进行尝试，而第一成功的人是来自荷兰的伯纳德·费林加。1999年，费林加建造出了第一个分子马达，他为了让它只朝同一个方向旋转，采取了一些巧妙的办法（下图）。这个分子就像是由两个很小的旋转叶片组成的，实际上是两个平面的化学结构通过两个碳原子之间的双键连接在一起。每个叶片上还分别连接着一个甲基基团，它们和部分叶片一起组成了像棘轮（让线性往复运动或旋转运动保持单一方向的机械机构）一样的动作机构，能迫使分子保持向同样的方向转动。当分子被暴露在紫外线脉冲下时，一个旋转叶片会围绕中心的双键跳转180°，然后棘轮移动到位。随着下一个脉冲，叶片又再跳转180°。就这样持续进行，分子就朝着同一个方向一圈圈旋转下去。

第一个分子马达的速度不是很快，但费林加的研究组对它进行了优化。2014年，马达的旋转速度达到了1200万转/秒。

在另一个令人震惊的实验中，费林加的研究团队用分子马达转动了一个28微米长的玻璃圆柱，它比分子马达本身大了1万倍。

这三位科学家开创了分子机器的发展道路，由此诞生了一系列拓扑化学结构。从原理上讲，分子机器实际上是一个分子表现出不同的状态，这就使得我们可以将一个分子用编码的方式变成“0101”这样二进制的形式，从而使得在分子水平进行超高密度的信息存储变成一种可能。19世纪30年代问世的电动马达彻底改变了世界，而这些分子机器也同样可能再次改变世界。

图3.分子马达的旋转机制 图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

三位获奖人的奠基性工作之后，在过去的十几年里，分子机器/器件的制备及其功能化方面得以迅速发展，孕育着新的突破。我国科学家也做出了很多原创性工作，并在某些方面处于国际领先地位。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）