2016年诺贝尔化学奖:有关分子层面上设计机器的故事

　　 北京时间10月5日消息，2016年度诺贝尔化学学奖刚刚揭晓！化学奖授予法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦（Jean-Pierre Sauvage）、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（Sir J.Fraser Stoddart）以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费灵格（Bernard L.Feringa），以奖励他们“在分子机器的设计和合成”方面的贡献，他们将共同分享800万瑞典克朗（约合616万人民币）的奖金。

　　简单来说，这是一个有关在分子层面的微观尺度上设计机器的故事。这几位获奖人开发出了比人类头发丝直径还要小1000倍的分子机器。他们的获奖在于成功合成了各类分子机器，从微型马达到微型汽车再到微型肌肉。正如一位诺奖委员会成员所言：“他们掌握了在分子层面上控制运动的技术。”

　　分子机器

　　你能够将机器做到多小？这是杰出的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼（Richard Feynman）在他1984年那场著名演讲的开头提出的一个问题。这个问题是基于他在上世纪1950年代对纳米技术发展的预测而提出来的。当时衣着随意的费曼转向现场的听众，然后问道：“现在让我们设想设计一种带有活动部件的机器，非常小的那种。”

　　费曼坚信有可能设计出一种机器，其尺寸可以抵达纳米尺度。因为这样的案例在自然界中已经存在了。他以细菌的鞭毛作为一个案例——有大分子组成的螺旋形外形，让它旋转起来时就能够驱动细菌前进。但是，人类有否可能用他们“巨大”的双手也制造出那种极小的，必须依靠电子显微镜才能观察的微型机器呢？

　　对未来的展望——分子机器将在未来25~30年内出现

　　对此一种可能的设想是我们先制造一双比我们自身的手更小的机械手，然后用这双机械手再制造更小的机械手，然后再进一步制造更小的机械手，以此类推，直到这双手足够小，从而能够设计同样微小的机器。根据费曼的说法，这一设想曾经尝试过，但是没有成功。相比之下，费曼对另一种策略更有信心，那就是从下往上逐渐组装这种微型机器。在他的理论设想中，不同的物质，比如硅，被逐层喷洒在一个表面上，一层原子叠着另一层原子。随后将其中的某些层溶解或去除掉，如此便能够创建出某种能够用电流驱动的活动部件。

　　在费曼对未来的设想中，这种方式可以用来设计微型相机的光阀。费曼这场演讲的目的是想启发在场的听众，敦促他们去尝试他们能够做到的极限。当费曼最后合上他的讲义结束演讲的时候，他不无淘气地说：“…请各位好好享受重新设计一切生活中那些熟悉机器的美好时光吧，看看你能否做到。再过25~30年，这一技术将会展现它的实用价值。但它具体是什么样的实用价值？我不知道。”

　　费曼不知道，当时在场的所有听众也不知道的是，通往分子机器道路的第一步已经迈出了，只是它并没有按照费曼所设想的那种路径发展。

　　机械锁定的分子

　　在20世纪中叶，作为开发更复杂分子结构努力的一部分，化学家们开始合成一些分子链，其中一些环装分子被连接到了一起。成功做到这一点的人不仅将创造出一种美妙的全新分子，还将创造出一种全新的化学键。正常情况下，分子是由共价键牢牢连接到一起中，在共价键中，相邻原子之间会共享一部分电子。现在化学家们的设想则是创造一种机械键——分子之间相互处于机械锁定状态，而原子之间并不发生直接相互作用（图一）。在1950~1960年代，几个研究组均报告他们在实验室中合成了分子链，但是他们得到的量非常少，并且采用的方法极为复杂，应用价值非常有限。因此这样的进展更多被视作是某种对于好奇心的满足而非严肃的化学进展。

　　在经历数年的停滞徘徊之后，很多人开始放弃希望，从1980年代开始，整个研究领域开始陷入低迷困境。然而这样的场景并未持续很久——1983年，一项重大的突破性进展出现了。借助普通的铜离子，一个由让-皮埃尔·索瓦领衔的法国研究组掌握了对分子的控制技术！

　　让-皮埃尔·索瓦与他的铜离子胶合剂

　　正如在研究工作中时常会出现的那样，启发往往来自一个完全不相关的领域。让-皮埃尔·索瓦的工作专长是光化学领域，该领域的化学家们关心的是合成某种分子化合物，期望其能够捕获太阳光中的能量并利用这些能量驱动化学反应过程。当让-皮埃尔·索瓦建立起一种这类化学物的模型之后，他突然之间意识到这类分子与分子链之间存在的相似性：两个分子围绕一个中间的铜离子交缠在一起。

　　这一发现让让-皮埃尔·索瓦的研究方向发生了重大转折。利用他的光化学化合物模型，他的研究组创建出一种环状以及一类新月状分子，并使其被铜离子吸引（图一）。在这一结构中，铜离子实际上提供了某种类似粘合剂的作用，将两个不相关联的分子联系到一起。紧接着，研究组利用化学方法将另外一个新月状分子粘合上去，从而用两个新月状结构拼接成另一个圆形分子，如此便得到了环形分子链中的第一个环。然后研究组撤走铜离子，因为后者已经达成了它的使命。

图一 索瓦使用一个铜离子来互锁分子(使用机械键)。

　　在化学上，非常讲究反应效率，也就是说你投入的分子量与你最后合成得到的目标分子数量之间的比值。在此前的研究中，这样的比值一直很不理想，一般只能达到几个百分点。但借助铜离子的帮助，让-皮埃尔?索瓦的研究组将这一效率提升到了令人印象深刻的42%！突然之间，分子链研究已然不再只是满足好奇心的领域了。

　　借助这一革命性的方法，让-皮埃尔·索瓦重新为拓扑化学的研究领域带来了活力。该领域化学家们的主要工作就是将分子不断相互缠绕锁定（通常需要借助金属离子的帮助），构成越来越复杂的结构——从长分子链条到复杂的环节结构，不一而足。让-皮埃尔·索瓦和詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特爵士是这一领域的领军人物，他们的研究组合成了许多经典符号，如三叶形纽结、所罗门结或博罗梅安环（图二）。但是，2016年的诺贝尔化学奖的获奖成果并非这种美丽结构的合成，而是分子机械。

　　图二.a)索瓦创建的一个分子三叶结。这个符号是凯尔特十字架，象征着神圣的三位一体。b)司徒塔特创建的分子博罗米恩(Borromean)环，意大利米奥家庭在其盾牌中使用的符号。c)司徒塔特和索瓦创建的所罗门结，被伊斯兰教所广泛使用。

　　迈向分子马达的第一步

　　让-皮埃尔·索瓦不久之后便意识到分子链（称为索烃：catenanes，源自拉丁文的‘锁链’一词：catena）并非仅仅是一种新型分子，并且自己实际上已经迈出了通往构建分子机器的第一步。为了让机器能够实现其功能，它必须包含数个能够相互协调工作的部件。而两个相互勾住的分子环是可以满足这样的条件的。在1994年，让-皮埃尔·索瓦的研究组成功合成出一种索烃，其中的一个分子环是可以受控方式旋转的，当施加外部能量时，它会围绕另一个环转动。这是非生物分子机器的第一个雏形。分子机器的第二个雏形则是由一个在苏格兰的一片没有电力供应也没有任何现代设施的偏远农场上长大的化学家完成的。

　　司徒塔特与轮烃

　　当詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特还是个孩子时，他家里没有电视，更没有电脑。于是他把大量时间花费在了做木工上，这样的经历锻炼了他日后作为一名化学家的一种能力：识别形状并判断它们之间如何才能组合到一起。他对化学感到着迷，他梦想成为一名分子艺术家——塑造新的形状，那些这个世界从未见识过的分子形状。当司徒塔特做出让他获得2016年诺贝尔奖的成果的同时，他