您的位置:首页>化学奖
分子机器使人类操控分子达到新高度
今年诺贝尔化学奖终于颁给了纯化学
发布时间:2016-10-05 来源:文汇报 许琦敏 【字号:  

  在瑞典斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院,三位获得2016年诺贝尔化学奖的科学家让-皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加(从左至右)的肖像展示在屏幕上。新华社发(石天晟摄)

  北京时间10月5日下午5点45分,2016年诺贝尔化学奖揭晓,一项非常基础的纯化学研究———分子机器获奖,法国斯特拉斯堡大学教授让-皮埃尔·索瓦日 (Jean-Pierre Sauvage)、美国西北大学教授弗雷泽·斯托达特(Sir J.Fraser Stoddart) 和荷兰格罗宁根大学化学系教授伯纳德·费林加(Bernard L.Feringa),分享了2016年诺贝尔化学奖,表彰他们“发明了行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”。

  这项离现实应用还比较遥远的研究,却使科学家对分子运动的操控达到了前所未有的新高度。其实,在生命体中,科学家早就看到了分子机器的存在,但生物分子机器结构和机制复杂,一旦可以通过化学方法实现对分子机器的精确构建,将可能引来材料和信息技术的新一轮大发展。

  三个人,三座里程碑

  三位获奖人真可谓光芒四射:索瓦日教授是法国科学院院士;斯托达特教授是美国科学院院士、美国文理科学院院士、英国皇家化学会荣誉会士;费林加教授是荷兰皇家科学院院士,也是美国文理科学院外籍院士。

  1983年,让-皮埃尔·索瓦日迈出了构建分子机器的第一步,他将两个环状分子套在一起,形成稳定的互穿超分子结构,并将其命名为索烃。1991年,斯托达特则成功制备了一类轮烷,其中一个分子为链型结构,一个分子为环,环分子套在线性分子上,并可以往返运动。在此基础上,他为分子机器设计出了一系列“衍生品”:分子起重机、分子肌肉和分子芯片等。费林加则是发展分子马达的第一人。1999年,他制作了一个分子转子叶片,能够持续朝一个方向旋转。利用分子马达,他成功让

  一个玻璃圆筒开始旋转———这个圆筒可比马达本身大上1万倍。此外,他还设计了一辆纳米小车。

  虽然诺贝尔奖官网上对这三位获奖人工作的介绍,让人感觉非常神奇,但在实际科研中,分子机器还处于非常基础的阶段。 

  复旦大学化学系教授黎占亭说,分子机器能否走向实用,实现器件化、规模化是关键,目前全世界该领域科学家都朝着这一方向在努力。

  今年6月,在学术界有着举足轻重地位的美国戈登会议首次将“分子机器及其潜在应用”作为重点议题,标志该领域发展进入一个新纪元。“我们已经制造出五六十种不同的分子马达”,费林加当时说,“我现在更关心怎么使用它们,而不是再造出一种新的马达来”。

  看似原始,却妙用无穷

  加入燃料分子,分子马达就会动起来。今年诺贝尔奖获奖者带化学走出了僵局,并用给予能量的方式控制了分子的运动———这使人类操控分子的水平达到了新的高度。

  中科院院士、华东理工大学教授田禾认为,以史为鉴,分子机器之于我们,正如电动机之于19世纪的科学界先辈,那时他们并不知道这些线圈和磁石会化为电车、洗衣机、电风扇。分子机器很有可能会在未来的新材料、传感器、储能系统等领域大显身手。

  比如,分子机器的穿梭运动,就可能用来编码,这样科学家就有可能发展出分子计算机。“这类分子计算机的发展将摆脱摩尔定律的限制,为超高密度的信息存储提供新的可能性。”田禾说,由于分子尺度可达到0.1纳米,而分子的穿梭运动的两个状态可以用来二进制编码,就可以实现超高密度存储。2007年,斯托达特团队已经制备出这类超高密度原型分子存储器件。

  又如,科学家已在生命活动中发现分子马达的存在,但由于机制太过复杂,难以研究清楚。如果化学家提供了一个精准而简单的模型,很多生命过程将可进行人工模拟,比如三磷酸腺苷酶即是一类生物分子机器,依靠高能分子三磷酸腺苷(ATP) 为细胞内化学反应提供能量———这将为生命科学研究带来新的飞跃。

  “分子机器运动的精准表征,是一个亟待攻克的难题。”田禾说,他的课题组正在尝试将染料分子带入分子机器,用荧光等标记物来简便而精准地表达出分子机器的不同运动状态,“这样,我们可以发展出灵敏度更高、选择性更强的探针体系,或可用来发现新生物标志物、或对环境进行监测等。”

  为中国培养不少人才

  “今年的诺奖是对分子机器领域发展方向的肯定,中国在该领域起步较晚,但目前已有一大批年轻人从事这方面研究。”黎占亭告诉记者,除了索瓦日教授已退休外,另外两位获奖者的实验室中,都有很多中国留学生,他们为中国培养了不少人才。华东理工大学、吉林大学、武汉大学、浙江大学和中国科学院等,都有斯托达特和费林加的学生在开展科研。

  浙江大学化学系特聘研究员李昊就是斯托达特的学生。他说,斯托达特非常喜欢招收中国留学生,因为中国学生非常勤奋,他喜欢中国人努力的工作态度。由此,斯托达特也很喜欢来中国,2005年被华东理工大学授予名誉教授,他还是天津大学的兼职教授。

  “斯托达特对学生很严厉,也很和蔼。”李昊说,导师年纪大了,听讲座容易打瞌睡,学生就偷偷拍下他打瞌睡的样子,做成影集送给他,他就哈哈一笑。他还有柔情的一面。一次,他在美国芝加哥大学做报告,有人问,他最迫切的念头是不是获得诺贝尔奖。斯托达特想了想,回答道:“我愿意用我所有的奖项去换取亡妻的生命。”

  费林加对中国科学界很友好,他是田禾牵头的“111引智计划”项目的合作者。

  索瓦日教授也有故事在留学生中流传。他和太太感情非常好,到美国讲学一个多星期,每天都和太太通电话20分钟。他还和学生交流“省话费”经验:先拨电话给太太但不接,然后两人用Skype聊。

  索瓦日教授的导师是1987年诺贝尔化学奖获得者、“超分子化学之父”让-马里·莱恩(Jean-Marie Lehn)教授,而分子机器则是在超分子体系上发展而来的。这对诺奖师徒在科学上也一脉相承,不断开拓发展,为诺奖史又添一段佳话。

(责任编辑:侯茜)
关闭页面
© 1996 - 2016 中国科学院 版权所有 京ICP备05002857号 京公网安备110402500047号 联系我们 地址:北京市三里河路52号 邮编:100864
彩88官网-彩88主页