世界上最小的機(jī)器

　　用一句話來描述這項(xiàng)科學(xué)成就，就是三位科學(xué)家開發(fā)了世界上最小的機(jī)器。小到什么程度呢?只有人類頭發(fā)的千分之一大小。他們成功地將分子連在一起，共同設(shè)計(jì)了包括微型電梯、微型電機(jī)、人工肌肉等在內(nèi)的所有分子機(jī)器。

　　新科得主荷蘭化學(xué)家伯納德·費(fèi)林加在一次采訪中曾這樣闡述他們的研究與創(chuàng)造的意義：也許化學(xué)的力量不僅在于理解，更在于創(chuàng)造，制造出前所未有的分子和材料。

　　分子機(jī)器發(fā)展階段的三級(jí)跳

　　第一階段：1983年，索烴，非生物分子機(jī)器的最初雛形。

　　通常情況下，分子們是被強(qiáng)力的共價(jià)鍵維系的，原子在其中共享電子。而學(xué)光化學(xué)的讓-皮埃爾·索維奇發(fā)現(xiàn)光化學(xué)分子模型與分子鏈有相似之處——一個(gè)核心銅離子周圍纏著兩個(gè)分子。于是，他的研究組構(gòu)建了一個(gè)環(huán)狀的分子和一個(gè)新月形的分子，并用銅離子作為凝聚力使兩個(gè)分子聚攏，再用化學(xué)手段將它們 “焊接”到一起，移走銅離子后就組成了第一個(gè)分子環(huán)扣——索烴。這是非生物分子機(jī)器的最初雛形。

　　第二階段：1991年，輪烷，分子機(jī)器誕生的第二步。

　　1991年，弗雷澤·斯托達(dá)特的團(tuán)隊(duì)造出了一個(gè)缺電子的“開環(huán)”，和一根兩處富集電子長棒——“輪軸”。二者相遇時(shí)，“缺電子”和“富電子”自然就會(huì)彼此吸引，于是環(huán)被套進(jìn)了軸上，他們得到了“輪烷”——一個(gè)套在軸上并能在兩個(gè)富電子部分之間前竄后跳的環(huán)狀分子。當(dāng)他們能完全控制“輪烷”的運(yùn)動(dòng)后，許多分子機(jī)器，包括電梯、人造肌肉、分子芯片等被創(chuàng)造出來。分子芯片與現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)芯片相比，后者簡直就是龐然大物，前者則為人們提供更小更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng);而人造肌肉甚至可以把一塊非常薄的金箔弄彎。

　　第三階段：1999年，分子馬達(dá)，分子機(jī)器動(dòng)起來了。

　　讓分子機(jī)器高效運(yùn)作起來的是荷蘭人伯納德·L·費(fèi)林加研發(fā)的分子馬達(dá)。正常情況下，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的分子向左與向右轉(zhuǎn)動(dòng)的概率大體相同，制造出能夠在同一方向上持續(xù)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)對(duì)于分子機(jī)械工程來說是重要的目標(biāo)。1999年，費(fèi)加林通過機(jī)械構(gòu)建，設(shè)計(jì)出了一種小旋翼葉片般的分子，每個(gè)葉片分別與一個(gè)甲基相連，它們和葉片一起如同齒輪般運(yùn)作，迫使分子只朝一個(gè)特定方向旋轉(zhuǎn)，這就是第一個(gè)分子馬達(dá)。費(fèi)林加使用分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)了比馬達(dá)本身大一萬倍的玻璃圓筒，還制造了一個(gè)“四輪驅(qū)動(dòng)”納米車——一個(gè)分子底盤將四個(gè)馬達(dá)聯(lián)結(jié)在一起，當(dāng)作車輪使用。當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，納米車就在表面上向前行駛。經(jīng)過不斷的優(yōu)化。2014年分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)達(dá)到了每秒1200萬轉(zhuǎn)。

　　控制分子活動(dòng)的技術(shù)

　　發(fā)布會(huì)上，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)成員奧洛夫形容分子機(jī)器“充滿能量”，“掌握了如何控制分子活動(dòng)的技術(shù)”。就像19世紀(jì)30年代，當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)被發(fā)明出來時(shí)，科學(xué)家未曾想過它會(huì)在電氣火車、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，未來很有可能將用于開發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)等。分子機(jī)器在未來最有可能被用于新材料，傳感器和能量儲(chǔ)存等領(lǐng)域。

　　費(fèi)林加教授表示，“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新材料的研發(fā)開啟了廣闊前景。雖然目前分子機(jī)器的實(shí)際應(yīng)用仍處在早期階段，隨著分子機(jī)器技術(shù)的發(fā)展，將來利用分子機(jī)器制造的微型汽車，甚至人造機(jī)器人將會(huì)被廣泛運(yùn)用于醫(yī)療領(lǐng)域。”

圖片來源：找項(xiàng)目網(wǎng)