2016诺贝尔化学奖揭晓！

2016诺贝尔化学奖揭晓！

获奖者——

Jean-Pierre Sauvage

Sir J. Fraser Stoddart

Bernard L. Feringa

号外！号外！！号外！！！

今天下午17点45分左右（当地时间11点45分），2016年诺贝尔奖化学奖揭晓！Jean-Pierre Sauvage ，Sir J. Fraser Stoddart 和Bernard L. Feringa由于在“分子机器的设计和合成”方面的贡献而共同荣获本届诺贝尔化学奖!

获奖者简介

让-彼埃尔·索瓦（Jean-Pierre Sauvage）

Jean-Pierre Sauvage教授曾担任法国国家科学研究中心主任，Chemical Society Review主编，Inorganic Chemistry编辑。现为法国科学院院士，斯特拉斯堡大学名誉教授，美国西北大学杰出访问教授，瑞士苏黎世大学访问教授，New Journal of Chemistry、Inorg. Chemistry Communication、Chemistry Letters等杂志编辑。

Sauvage教授主要从事机械立体化学研究，是超分子拓扑化合物研究的开拓者。他开发了分子识别与组装过程中模板合成机械互锁型分子（如轮烷和索烃）的方法，大力推动了该领域的发展。

詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特勋爵（Sir J. Fraser Stoddart）

J. Fraser Stoddart勋爵是英国皇家科学院院士，美国艺术与科学院院士。获得各类奖项100余项，其中包括1978年由化学学会颁发的Carbohydrate Chemistry Award，1994年获得International Izatt-Christensen Award，1999年美国化学学会颁发的考普学者奖，2007年伊莉莎白二世亲自为其授予爵士勋位，同年获艾伯特爱因斯坦世界科学奖。

Stoddart院士是有机超分子化学和纳米科学领域最杰出的科学家之一，迄今已在《Nature》、《Science》、《Nature Chem》、《PNAS》等杂志上发表1000余篇学术论文。

伯纳德·费林加（Bernard L. Feringa）

Bernard L. Feringa教授现为美国艺术与科学院外籍院士，荷兰皇家科学院院士，曾先后获得荷兰最高科学奖Spinoza奖，Prelog金奖，美国化学会Norrish奖，英国皇家化学会有机立体化学奖等奖项。其研究方向主要涉及立体化学，有机合成，不对称催化，分子开关，自组装和分子纳米系统等。

人类能够将机器做到多小？这是美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在他1984年提出的一个问题。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。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？获得2016年度诺贝尔化学奖的三位科学家部分回答了费曼的问题。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。” 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。本文就来谈谈这几天的大热门-分子机器。

一、分子机器的概念

机械是为了特定的目的而发明组装的东西，机器是利用转化施加或传输能量的机械装置的组合。宏观机械与机器的概念可以延伸和扩展到分子水平。分子机器，由许多不连续的分子元件组装起来，能行使某种功能的机器。分子机器作为一类超分子体系，各组分间存在着多种可能的非共价键作用。与普通分子或者分子聚合物不同的是，分子机器能够将能量转换为某种定向移动，像机器一样运转起来。

在某种程度上，分子机器可以看做一种能量转换装置。在外来能量的存在下，分子机器可以通过机械运动可控地改变其空间相对位置，以实现特定的设计目标。分子机器是一种特殊的分子机械，在分子机器中各个分子元件的相对位置可以在某些外界刺激存在的条件下发生改变。分子机器的概念限于较大范围的运动，并且导致了某些元件的位置发生明显的改变的化学反应系统。分子机器中，各个元件的相对运动比较复杂，分类可能并不完全，但是大致上可以分为旋转运动，分子的穿梭脱羧运动，线性运动，索烃的运动。

在生物领域，大自然就合成的很多精巧的分子机器。ATP合成酶就是这么一个例子，它利用氢离子扩散的能量把ADP和磷酸根合成ATP。ATP合成酶的结构上分成两个部分，一个是蛋白质排列拼合成的孔道，这个孔道直接从膜内穿透到膜外。孔道的内端是另一个部件：一个轴样的旋转头。这个旋转头像钟表里的齿轮一样，有三个固定刻度。每个刻度之间角度相差120度。大致每三个质子的向内移动的能量会让旋转头转过120度，上部转子部分在每120度处蛋白结构形状和张力改变，ADP和Pi被“吸入”进而合成ATP。这是一个自然界最微小的轮轴系统。而且这个机器随时可以反向工作，即消耗内环境已有的ATP，把它们分解成ADP和Pi，利用释放的能量把质子泵向膜外。网络上有很多ATP合成酶工作的视频，同学们有兴趣的可以欣赏一下大自然的杰作。

二、分子工具箱

大自然的杰作自然让人叹为观止，人类如何制造分子机器呢？当时费曼提出了两种策略。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。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。但是，有机合成科学家颠覆了费曼的方法。

一部机器要能执行任务，它的各个组成部分之间必须具有相对运动的能力。因此分子机器在结构中最重要的特点，就是分子之间结合的相互作用并不是高强度的共价键，而是带正电区域与带负电区域之间的静电吸引作用。这种作用相对较弱，他们之间的结合可以随时被打破与重建，不同分子并不需要外在能量就能完成往复运动。或者说，分子机器需要创造一种机械键——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。

第一项重大突破发生在1983年。当让-皮埃尔·索瓦观察到一个现象，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·索瓦提出了铜离子合成分子机械的思路。他合成出一种环状分子以及一类新月状分子，并使他们其被铜离子吸引。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，如此便得到了两个相互勾住的分子环。借助铜离子的帮助，让-皮埃尔·索瓦的研究组将合成效率提升到了令人印象深刻的42%！让-皮埃尔·索瓦把这种分子链称为索烃(catenanes，源自拉丁文的‘锁链’一词catena)。借助这一方法，化学家们将分子不断相互缠绕锁定，构成越来越复杂的结构——从长分子链条到复杂的环节结构。有兴趣的同学们可以搜索索烃了解更一步的信息。

分子机器另一个原型都可以追溯到1991年由化学家弗雷泽·斯托达特(Fraser Stoddart）所设计的一个略显粗糙的分子器件。这个分子体系也就是今天我们常常会听到的“轮烷”(rotaxane)，它由一个环状分子和一个穿过此环状分子空腔的链状分子共同组成。环状分子环是缺失电子的，而链状是电子富余的。当这两个分子在溶液中相遇时，缺失电子和富余电子的两个分子结构立即相互结合了。链状分子的两端在结构上具有较大的空间位阻，可以防止套在其中的环状分子滑脱，在靠近两端的地方还含有可与环状分子发生键连作用的化学基团。当这种结构加热时，环状分子可以在链状分子两端的化学位点之间来回移动，就像缝纫机的梭子，由此他设计出了第一个分子级的短程穿梭装置。

三、分子动力

在分子机器发展的初级阶段，大多数机械运动都是不受控的可逆过程。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。通常情况下，分子的转动方向受偶然性支配。平均而言，一个旋转的分子向右和向左移动的次数是相等的。这是非生物分子机器的第一个雏形。

分子工程领域的一个重要的目标是创造出能够持续不断沿着同一方向转动的分子马达。这个目标由荷兰科学家的伯纳德·费灵格在1999年达成，他借鉴了传统机械中棘轮的原理。费灵格设计的分子马达时，含有两个相同的“叶片”单元，叶片之间通过碳碳双键加以固定。一个甲基组被附加到每个动叶片上，叶片形状经过特别的设计，可以保证它们只绕同一个方向旋转。当分子被暴露在紫外线光的脉冲下，一个动叶片围绕中间的双键跳了180度。然后，棘轮移动到指定位置。随着下一个光脉冲的带来，动叶片又跳了180度。持续下去，分子马达就会朝同一个方向旋转。

第一部马达的运行速度并不快，但费灵格团队对其进行了优化。2014年，其转速度达到了每秒1200万转。因此，只要能提供合适的光能和热能，这台马达便可以持续转动。这些能够运动的分子马达就像我们现实中使用的马达一样。

1994年，斯托达特改进了他的轮烷分子的设计，让链状分子的两端分别带有不同的结合位点，这一新的分子穿梭机在水溶液中试验成功。改变溶液的酸碱度，可以让环状分子在位点间实现可逆的来回移动，使得该“穿梭机”在某种程度上变成了一种可逆型开关。

四、分子机器的未来

分子机器这一领域未来的发展应该从两方面入手：在微观层面上，让这些分子机器在分子尺度上完成那些不能用其他手段完成的任务；在宏观层面上，利用数以万亿计的分子机器的集群效应重塑材料形状，或让它们可以像蚁群一样去举起比自身重得多的东西。

时间已经证明了小型化计算机技术革命所带来的影响，而我们也只是看到了机器小型化可能带来影响的初始阶段。鉴于相对于现有的大规模集成电路，单分子的体积仍然极小，这对未来的信息技术将会是一场重大变革。斯托达特与加州理工学院的詹姆斯·希思（James Heath）合作，用数百万个轮烷制造出了数据记录装置。这一“分子存储器”长约13微米，可记录16万比特的信息，每比特对应几百个轮烷分子。这样的存储密度相当于每平方厘米可存储约100GB的数据，与目前最好的商用硬盘相比也毫不逊色，但是稳定性差，目前只能运行几百次。

分子开关可以帮助人们利用外来信号（比如光照）调控药物分子释放药效的过程。康普立停A-4是一种有着严重副作用的强效抗癌药，会无差别地攻击肿瘤细胞以及相似的健康细胞。而光敏型可切换型新药能够有效地减少这种副作用：当药物分子处于“关闭”状态时，分子内含有一个氮氮双键，药物在整体上并不具备活性。当用蓝光照射分子，打破氮氮双键之后，双键连接的两部分会发生旋转，使药物分子重新产生活性。如果利用柔性导管或是植入性装置来传递光信号，这种靶向控制可以在仅仅10微米大小的人体组织内实现。

在宏观层面上，如果数以亿计的分子机器共同协作，确实能够改变材料的某些宏观性质。2011年，费灵格研究小组利用分子马达制造了一款四驱纳米汽车，一个分子底盘安装了四个马达(作为轮子)。当轮子旋转时，汽车机会前行。在另一个引人注目的实验中，伯纳德·费灵格在液晶薄膜中掺杂了分子马达，后者可以让液晶薄膜产生足够大的扭曲度，从而使放置在膜上的玻璃棒缓慢转动。这根玻璃棒长达28微米，是马达尺寸的上千倍。

受核糖体的启发，英国科学家David Leigh设计了一个多肽合成生产线，这个基于轮烷系统的流水线可以沿轴捡拾氨基酸分子，将它们添加到一个不断增长的肽链上。但这个装置的妙处还在于它能够产生宏观上的效果——1018个这样的分子流水线在超过36个小时的时间里合成出了几毫克的多肽。

2012年问世的防划iPhone手机壳就是以东京大学伊藤耕三教授的工作成果为蓝本制造的：它所使用的材料由高分子链穿过数个环糊精分子之后再拗成“8”字型形成。普通聚合物涂层受到压力时，高分子链间的连接会被破坏，由此产生划痕。但在这种材料中，环糊精分子可以让高分子链在受力时能平稳地滑过而不被破坏。用这种材料制成的薄膜甚至可以让手机屏幕在锤子的猛击下而不碎。

本届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。从发展的眼光看，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、电风扇等等走进千家万户。19世纪的人们永远想象不到发电机、电动机和发动机会怎样影响20世纪人类的社会和战争形态。20世纪的人们一样想象不到半导体、二极管和集成电路会如何改变21世纪人类的交流和娱乐方式。21世纪的我们，也一样。

（来源于：诺贝尔奖官网，及网络相关内容，化学人生综合整理编写。）