這位諾獎得主，造出了世界上最小的汽車
伯納德·L·費林加（Ben L. Feringa） | 撰文
李研 | 翻譯
大自然在構(gòu)建微型機器方面簡直令人驚嘆。這些機器在許多生命過程中發(fā)揮著重要的作用。例如，我們的眼睛中數(shù)百萬個微型開關(guān)，使我們能夠看到彼此；我們的細胞中也有微小的馬達，負責泵送物質(zhì)進出并產(chǎn)生能量。在荷蘭的實驗室里，我和我的學生們對制造受大自然啟發(fā)的微小分子機器充滿熱情。我們成功開發(fā)了多種功能的分子開關(guān)和分子馬達，更研制出了世界上首輛分子尺度的納米汽車！這些分子機器可以用于改善人類健康、推動技術(shù)進步，并開創(chuàng)前所未有的新型功能材料。在這篇文章中，我將分享我們?nèi)绾螛?gòu)建這些分子機器，并帶你一窺它們?nèi)绾胃纳莆覀兊纳睢?/span> 伯納德·L·費林加與讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）和詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（James Fraser Stoddart，參見文章：紀念我的導師司徒塔特先生）三位教授共同獲得了2016年諾貝爾化學獎，以表彰他們在分子機器的設(shè)計與合成方面的貢獻。 SAIXIANSHENG 微型機器——大自然與實驗室的奇跡 圖1: 分子開關(guān)是一種微小的分子，能夠在受到刺激時在不同狀態(tài)之間切換。最簡單的開關(guān)有兩種狀態(tài)：“開”和“關(guān)”，就像你家中的電燈開關(guān)一樣。 從童年起，我就深受大自然之美的啟發(fā)。我喜歡觀察自然，從中汲取智慧，并運用這些知識創(chuàng)造新穎、有益的事物。大學期間，我非常幸運地在實驗室里創(chuàng)造了我的第一個分子！得知自己創(chuàng)造了一個從未存在過的分子，那種興奮和激動難以言表。我開始對利用化學知識創(chuàng)造分子產(chǎn)生興趣，希望這些分子能夠模仿自然界創(chuàng)造的生物機器。這引領(lǐng)我踏上了一段漫長的探索之旅，最終，我成功組裝出了有史以來最小的汽車。 在實驗室中構(gòu)建分子 在荷蘭的實驗室里，我們構(gòu)建微小的分子并研究它們的特性。這些分子的大小難以想象。如果你將兩根手指盡可能地靠近，直到它們之間只能容下一絲光線，這就是1毫米的寬度。而我們構(gòu)建的分子只有納米（nm）大小，1納米是你手指間縫隙的100萬分之一！ 構(gòu)建分子有點像用樂高積木搭建一座美麗的城堡。我們以最小的分子為基礎(chǔ)，通過化學反應移除或添加某些部分，然后利用其他反應將這些分子組合在一起，構(gòu)建更大的分子。本質(zhì)上，我們是在打破和創(chuàng)建構(gòu)成分子的原子之間的鍵。通過“擺弄”這些分子積木，我們可以創(chuàng)造出前所未有的新分子。 我們合成分子通常是為了特定的用途，例如為汽車涂裝設(shè)計漂亮的顏色，或為治療疾病開發(fā)有效的藥物。我們常借助計算機，幫助我們確定應該使用哪些原子和反應，以設(shè)計新分子。即使有計算機的輔助，預測新分子的特性仍然非常困難，許多分子常常不會完全符合我們想要的特性。有時這種“錯誤”實際上是一件好事，因為它可以幫助我們發(fā)現(xiàn)未曾預料到的特性。另外一些時候，我們必須不斷調(diào)整分子的結(jié)構(gòu)，直到最終創(chuàng)造出理想的特性。 制造出新分子后，我們會對它們進行測量，深入了解它們的行為，包括單獨的分子，還有成群的分子（想象一下，研究一勺糖和其中單個糖分子的行為）。先進的實驗室設(shè)備可以來幫助我們研究分子的結(jié)構(gòu)和行為，包括一種非常強大的顯微鏡，稱為掃描隧道顯微鏡（STM）。STM的針尖只有一個原子大小。你能想象嗎？借助STM和其他先進設(shè)備，我們可以確定分子是否具有我們期望的三維形狀，是否具備所需的特性（例如，正確的顏色、硬度或粘性）。雖然有時我們需要多次嘗試，但最終會創(chuàng)造出合適的分子，擁有理想的特性。 能夠移動的分子——從開關(guān)、馬達到汽車 我們實驗室對能動的分子情有獨鐘，能動的分子就像身體中的分子機器一樣。我們甚至嘗試給那些通常靜止的材料（如塑料和玻璃）制造“運動版”，讓它們也動起來。想象一下，如果你們家臥室的窗戶或汽車玻璃能夠自我清潔，那該有多酷？一種簡單的分子運動涉及在兩種狀態(tài)之間的切換，就像眼睛中的分子開關(guān)一樣。為了創(chuàng)造這種運動，我們設(shè)計了一種分子，其上部可以通過光來進行“翻轉(zhuǎn)”[1]。想象一下在“右手”和“左手”狀態(tài)之間切換（圖2）——一種顏色的光將“右手”狀態(tài)切換到“左手”狀態(tài)，另一種顏色的光將“左手”狀態(tài)切換回“右手”狀態(tài)。這種類型的分子可以用于計算機的數(shù)字信息存儲（正如你所知，信息有“1”和“0”兩種狀態(tài)。通常，1和0通過硅制成的晶體管組件中的不同電壓來實現(xiàn)，使用具有兩種狀態(tài)的分子開關(guān)，也可以實現(xiàn)類似的“1”和“0”狀態(tài)）。 圖2:合成分子開關(guān)。在實驗室中，我們設(shè)計了像開關(guān)一樣的分子。利用光，我們可以將這些分子從“右手狀態(tài)”切換到“左手狀態(tài)”，然后再切換回來。這種分子可以應用于多種技術(shù)，包括在計算機中存儲數(shù)字信息。 一旦能夠構(gòu)建在兩種狀態(tài)之間移動的分子開關(guān)，我們希望進一步研究更復雜的運動，那便是旋轉(zhuǎn)馬達的舞步。旋轉(zhuǎn)馬達是一種機器，它通過某種燃料驅(qū)動，朝一個方向旋轉(zhuǎn)，以此產(chǎn)生所期望的產(chǎn)物。在我們的細胞中，微小的旋轉(zhuǎn)馬達負責制造ATP，為細胞提供能量的分子。受這一自然旋轉(zhuǎn)的馬達的啟發(fā)，我們嘗試創(chuàng)造一種合成的旋轉(zhuǎn)馬達，它通過光（來自燈或太陽）驅(qū)動，不斷朝一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，就像奔跑的汽車輪胎。這項任務(wù)充滿挑戰(zhàn)，因為控制分子的運動方向很困難。如果不受控制，分子就會瘋狂地四處奔走。因此，要讓分子的運動連續(xù)、平穩(wěn)，是一個巨大挑戰(zhàn)。 0/0 繼續(xù)觀看 這位諾獎得主，造出了世界上最小的汽車 視頻1：分子旋轉(zhuǎn)馬達在接受光照之后可以完成360度旋轉(zhuǎn)，因為光會破壞分子中的鍵。 0/0 繼續(xù)觀看 這位諾獎得主，造出了世界上最小的汽車 視頻2：世界上最小的納米車 在解決了這個挑戰(zhàn)后，我們創(chuàng)建了一條納米汽車的生產(chǎn)線，可以用來制造各種尺寸和速度的納米車。 自清潔汽車與智能藥物 我們還可以使用響應性材料來改進藥物，創(chuàng)造所謂的智能藥物[5]。普通藥物通常分布在全身并在各處起作用，與之不同的是，智能藥物只在我們希望它們起作用的時間和地點才被激活。分子開關(guān)可以附著在藥物上，這樣我們只有在用光照射時才能“啟動”藥物。通過這種方法，我們可以避免藥物在體內(nèi)和環(huán)境中的不良反應。例如，具有這種特性的抗生素可以幫助避免耐藥性的產(chǎn)生，而這是一個嚴重的問題。我們還可以設(shè)想微型的分子汽車在體內(nèi)巡游，讓身體保持健康，例如通過將特定藥物運輸?shù)叫枰奶囟▍^(qū)域（圖3）。 圖3：我們可以使用微型分子汽車來改善健康嗎？未來，可能會有微型分子汽車在我們的身體中穿行，在身體內(nèi)需要藥物的特定位置釋放藥物。 當萊特兄弟在1903年進行他們的第一次歷史性飛行時，我想沒有人會預測到，僅僅100年后，數(shù)百萬人穿梭于全球。盡管我們今天使用的飛機比萊特兄弟發(fā)明的第一架飛機復雜得多，但仍然基于相同的原理。 對于分子機器領(lǐng)域，我也抱有同樣的愿景。未來，我們的早期構(gòu)想將得到發(fā)展，應用于許多我們?nèi)缃駸o法想象的技術(shù)。作為化學家，我們的一部分工作是發(fā)揮創(chuàng)意，構(gòu)建我們自己的分子世界，發(fā)明新的事物。發(fā)現(xiàn)的過程通常充滿挑戰(zhàn)，因為我們正跋涉在未知的疆土。隨著時間的推移，我領(lǐng)悟到即使科學進展艱難，也要保持信心，因為這份掙扎可能引領(lǐng)我們走向壯麗的成果。我知道你們每個人都有非凡的才能，希望你們能享受這份才華。追隨你的夢想，相信自己能夠?qū)崿F(xiàn)。 伯納德·L·費林加 （Ben L. Feringa）在荷蘭格羅寧根大學完成了化學專業(yè)的本科和研究生學業(yè)。隨后，他在同一所大學獲得了博士學位，師從Hans Wynberg教授。1978年至1984年間，他曾在荷蘭殼牌公司以及英國殼牌生物科學中心擔任研究科學家。之后，他加入格羅寧根大學擔任教職，目前領(lǐng)導著一個專注于動態(tài)分子系統(tǒng)的研究小組，研究方向包括分子開關(guān)、分子馬達以及分子納米車。在他的職業(yè)生涯中，費林加獲得了眾多獎項，包括Koerber歐洲科學獎（2003年）、荷蘭最高科學獎Spinoza獎、Prelog金獎、美國化學會Norrish獎、英國皇家化學會有機立體化學獎、洪堡獎（2012年）、瑪麗·居里獎?wù)拢?013年）、名古屋金獎（2013年）以及諾貝爾化學獎（2016年）。費林加與妻子貝蒂·費林加育有三個女兒，現(xiàn)居住在荷蘭格羅寧根附近的一個村莊。 卡拉（CARLA），15歲 已關(guān)注 關(guān)注 重播 觀看更多
賽先生
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本文封面圖：? University of Groningen
原文鏈接：
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關(guān)于Frontiers for Young Minds Frontiers for Young Minds 創(chuàng)刊于 2013 年，是 Frontiers 專門為青少年創(chuàng)辦的科學期刊，也是 Frontiers 花費多年心血培育的純公益項目。它的運作模式和科技期刊完全相同，旨在從青少年時代培養(yǎng)孩子們的科學思維，并提供與世界一流科學家交流的機會。編輯部邀請世界一流科學家用適合青少年閱讀的語言改寫學術(shù)文章，在經(jīng)過 8-15 歲青少年評審后方可發(fā)表。任何讀者可以隨時登錄官網(wǎng)，免費閱讀和下載期刊中的文章。 截至目前，有大約 8,000 名青少年審稿人參與評審，約 650 名科學導師指導他們的審稿流程。這些經(jīng)青少年審閱發(fā)布的文章，收獲了來自 230 余個國家/地區(qū)超 3,900 萬次瀏覽。 Frontiers for Young Minds 自 2021 年起邀請諾貝爾獎得主為全球青少年撰寫科學文章，目前已有 30 位諾貝爾獎得主的文章發(fā)表。Frontiers for Young Minds 發(fā)布的所有研究都基于堅實的循證科學研究，包含神經(jīng)科學與心理學、地球科學、天文與物理、人體健康、生物多樣性、數(shù)學與經(jīng)濟、化學與材料、工程與技術(shù)等多個版塊。
