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导语 2016年诺贝尔化学奖授予分子机器设计与合成研究领域的三位科学家，分别是法国斯特拉斯堡大学索瓦日教授、美国西北大学斯托达特教授和荷兰格罗宁根大学费林加教授，以表彰他们在分子机器合成领域的卓越贡献。 2016年诺贝尔化学奖获得者 机器是设计出来用以实现某一特定功能的元器件按照一定规则的组合。机器无论是简单的还是复杂的都是利用、转换或传输能量的机械装置的组合。电子元器件更是广泛应用于生产和生活的各个领域。设计和制造体积更小、信息处理能力更强的电子元器件是未来信息技术发展的关键。因特尔公司的创始人之一摩尔教授曾预言：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每１８个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头。摩尔所做的这个预言，因后来集成电路的发展而得以证明，并在较长时期保持了它的有效性，被人誉为“摩尔定律”。 超大规模电路的集成，必然要求元器件尺寸的减小。传统的硅基器件由于受物理性质和制造工艺的限制，其尺寸不可能无限地减小。解决问题的出路之一就是发展分子器件，在分子尺度上进行改变。因而人们开始寻求不同于机械加工自大到小（top-down：large downward）的思维模式，转而研究积小为大（bottom-up：small-up-ward）的合成策略。 1959年12月，费曼教授（1965年诺贝尔物理学奖获得者）在美国物理学年会上指出：科学技术需要寻求新的途径促进在纳米尺度进行微型化，在小尺度进行微型化有很大的空间。费曼教授当时考虑使用原子作为操作基元来进行化学合成，但是原子并不是简单可以随意移动的球体。与原子不同，分子是相对稳定的“物种”，可以执行器件相关的特性。同时，分子能自组装成大的聚集体，或者被连接成大的分子结构体。 目前，人们已经能够像乐高积木一样组装具有特定功能的分子机器，索瓦日、斯托达特和费林加三位科学家正是因为在人工分子机器的设计与合成方面的卓越贡献而荣获2016年诺贝尔化学奖。 早期轮烷、索烃的合成是随机而低产率的。1983年，索瓦日教授首次使用金属模板法来诱导索烃的合成。这种方法改变了依靠分子随机碰撞成环的合成思路，对于分子机器的发展是至关重要的一步。分子机器的设计合成进入到人为控制的新阶段。 首例金属模板诱导合成的索烃 Cu（CH3CN）4BF4：四氟硼酸四（乙腈）铜；CsCO3：碳酸铯；KCN：氰化钾 斯托达特教授的研究工作则使得分子机器可以精准地沿着设计的方式运行。例如，斯托达特教授设计冠醚环状分子，同时在轴分子上面引入二级铵盐以及联吡啶盐两个单元。通过体系ｐＨ 的调节可以使得冠醚环分子可以在联吡啶盐或者二级铵盐站点之间移动。基于这样的运行机理，斯托达特教授合成了分子升降机（分子电梯）。分子的升降可以通过体系ｐＨ 的调节来进行控制。 斯托达特教授报道的分子升降机（分子电梯） 分子马达的成功合成将分子机器的研究推进了一大步，费林加教授则是发展严格意义上分子马达的第一人。费林加教授将分子马达掺杂在液晶薄膜表面，在光照的条件下，可以使液晶表面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。 在分子机器的设计和合成研究方面，中国科学家也取得了令人瞩目的成就。华东理工大学田禾教授、曲大辉科研团队在分子机器相关领域的研究成果颇为丰硕。南开大学刘育教授团队建立了从环状分子出发，通过“模块组装”策略，构筑多维多层次组装体的方法。中国科学院化学所陈传峰团队，北京师范大学江华团队，浙江大学黄飞鹤教授团队以及王乐勇、强琚莉团队，复旦大学黎占亭团队，华东师范大学杨海波团队等在分子机器的设计合成及组装研究方做出有意义的成果。南方科技大学蒋伟发展萘基新型大环主体，王梅祥团队发展的新型主体化合物“冠芳烃”，为基于互锁结构的分子机器与器件提供新的构筑基元。此外，国内许多团队在超分子组装分子器件的研究领域也各有建树，为未来分子机器的功能化打下良好的基础。 掺杂在液晶薄膜表面的分子马达 有些化学家认为，分子机器虽然很炫酷，实际却没有什么用处。2016年诺贝尔奖给人们指明了方向：智能分子机器是可行的。从发展的轨迹来看，分子机器经历了一个从简单的机械互锁结构的设计与合成到功能探索的途径。有理由相信，分子机器未来将会展示实用方面独特的魅力。 生物分子机器，作为重要的生物调控工具，发挥了巨大的作用。例如，ATP合成酶是天然的分子转动马达，利用质子梯度的能量将ADP和磷酸转化成ATP。而肌肉中的肌球蛋白则被认为是天然的平动马达，会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。在人体内，也正是存在许多独特的分子机器，才使细胞分裂、肌肉收缩等消耗ATP来产生热和功的生理过程成为现实。师法自然，从化学的角度设计合成人工的分子机器一直是化学家追求的目标。生物分子机器极其复杂，虽然完全地模仿生物分子机器现在是不可行的，但是生物分子机器运转的基本原理还是对人工分子机器的设计提供了非常重要的灵感。 2012年，英国大卫·李教授报道了一系列带有氮原子的轮烷系统，在环分子的移动过程中，氮原子可以作为催化剂去选择性地催化某些化学反应。把多种不同的可切换的催化剂设计到同一个体系中，利用它们各自的催化特点，使目标分子能够按照一定的反应顺序生成更加复杂的最终产物，是人类模拟酶作用机制的终极目标。 生命体的衰老与死亡是人类需要解决的终极问题。主要原因之一在于生命体内产生的自由基侵害细胞膜中的不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化反应，最终导致细胞发生变性、坏死，从而引起整个机体的衰老和多种疾病的发生。如果在生命体内注入生物相容性的分子机器来进行自由基的捕获，就可以及时清理对生物体内有害的自由基，从根源上抑制衰老进程。此外，在整个衰老过程中，基因突变以及其他有害刺激因素导致细胞衰老以及最终凋亡。如果利用分子机器可以定向移动的特点，对受损部位进行智能识别后，进行分子层面的主动修复，则可以大大延缓衰老，也许可以让人类永生。 生命体最重要的特征是新陈代谢和自我复制。生命体通过新陈代谢远离平衡态保持有序结构，通过自我复制使得生命得以延续。分子机器是远离平衡的系统，可以通过消耗各种形式能源维持运行做功。分子机器与生命运行的模式相似，所以有科学家预言：有朝一日新的生命体也许可以从化学家实验室的烧瓶中制造出来。 另外，如果将分子机器结合到如纳米管、石墨烯以及金属有机框架等其他半导体材料中，有可能开发出具有新功能与用途的新型材料。而利用分子机器多稳态的开关功能可以进行信息存储、构筑分子逻辑门进行运算，对实现计算机的微型化（如分子图灵计算机）具有十分重要的应用前景。 瓦特设计出改良蒸汽机带来人类文明进程的工业革命，那么分子机器的出现是否会成为另一场新型的科技革命的推动力，最小的机器是否可以带来最大的科技进步？科学总是充满各种可能，这也正是科学研究的魅力所在。 |
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