圖説：10月5日，在瑞典斯德哥爾摩的瑞典皇家科學院，三位獲得2016年諾貝爾化學獎的科學家讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加（從左至右）的肖像展示在螢幕上。新華社圖
説到機器，你自然想到廠房車間裏的龐然大物，其實，世界上最小的機器是肉眼看不到的，稱為分子機器。北京時間10月5日傍晚，2016年度諾貝爾化學獎揭曉：授予法國斯特拉斯堡大學的讓·皮埃爾·索瓦、美國西北大學的詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特以及荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費靈格，以獎勵他們在分子機器的設計和合成方面的貢獻，這三位獲獎者開發出了比人類頭髮絲直徑還要小1000倍的分子機器。
合成各類分子機器
華東理工大學化學學院教授曲大輝是本屆化學獎得主之一費靈格的弟子，曾經在費靈格教授那裏攻讀博士後。他向記者解讀，本屆化學獎三位得主成功設計併合成了各類分子機器，包括微型馬達、微型汽車和微型肌肉，正如一位諾貝爾獎委員會成員所言：“他們掌握了在分子層面上控制運動的技術。”
人類能夠將機器做到多小？這是傑出的美國物理學家、諾貝爾獎得主理查德·費曼在上世紀50年代對奈米技術發展提出的一個問題。這位科學家相信，人類有可能用“巨大”的雙手製造出那種極小的、必須依靠電子顯微鏡才能觀察的微型機器。
夢想在1983年得以實現——索瓦領銜的法國研究組掌握了對分子的控制技術，利用他的光化學化合物模型，研究組創建出一種環狀以及一類新月狀分子。緊接著，研究組利用化學方法將另外一個新月狀分子粘合上去，從而用兩個新月狀結構拼接成另一個圓形分子，如此便得到了環形分子鏈中的第一個環。這個環狀結構成為分子機器的基礎。
為了讓機器能夠實現功能，它必須包含數個能夠相互協調工作的部件，而兩個相互勾住的分子環可以滿足這樣的條件。1994年，索瓦的研究組成功合成出一種索烴，其中一個分子環是可以受控方式旋轉的，當施加外部能量時，它會圍繞另一個環轉動。這是非生物分子機器的第一個雛形。
1991年之後，司徒塔特的研究組利用多種不同的輪烴製造出大量相對成熟的分子機器，包括一台電梯，其上升高度可達到0.7奈米左右；一種人造肌肉，這種用輪烴構成的“分子肌肉”成功地彎折了一片很薄的黃金薄片。
曲大輝教授介紹，他的導師費靈格則研製出一種神奇的分子馬達。1999年費靈格製造出第一個分子馬達，利用了一些巧妙的技巧讓它在同一個方向旋轉。通常情況下，分子的運動受偶然性支配，平均而言，一個旋轉的分子向右和向左移動的次數是相等的。但是，費靈格設計的分子馬達在機械構造上能向一個特定的方向旋轉。他的研究小組還對馬達進行了優化，現在的旋轉速度可達到1200萬轉/秒。
代表化學領域前沿
曲大輝説，分子機器已經成為當下化學領域的前沿方向。在華東理工大學，就成立了一個由中科院院士田禾領銜的超分子化學及分子機器研究團隊，重點研究分子機器的設計及其應用。曲大輝本人也繼續從事分子機器的研究工作。那麼，人類掌握如此細微的機器，究竟何用呢？
根據諾貝爾頒獎委員會解讀，目前分子機器屬於基礎性研究。比如分子馬達，從發展階段來看，它現在所處階段相當於19世紀30年代的電子馬達。當時研究人員的想法還處於實驗室階段，並未想到後來會引發出電氣火車、洗衣機、電風扇和食物處理器等。
曲大輝表示：“分子機器研究的先驅者們已經找到了合成分子機器的有效手段，至於它會生産出什麼來，我們又需要它生産什麼，還有很長的路要走。”但他認為，分子馬達走的道路相對於過去的電子馬達將大大縮短，由於化學、物理、材料等各學科的融合以及資訊的快速傳遞，人類將會用最短時間使這項技術應用起來。曲大輝透露，比如在醫藥領域，科學家們已經採用分子機器製造出一種分子檢測儀，可以快速檢測腫瘤。
此外，科學家們已經研發出分子晶子管。如今用於電腦晶片上的電晶體體積已經非常小，但如果和這種分子層面的“電晶體”對比的話，就顯得巨大無比。研究人員相信這種分子晶片技術或許在未來將有望顛覆現有的傳統電腦晶片技術，基於硅晶片的電晶體技術將會消亡。
曲大輝表示，現在仍然只能繼續開發這項技術令人興奮的發展前景，但是正如他的導師費靈格所説，“也許化學的力量不僅僅是理解，還有創造，創造那些從未存在過的分子和物質”。
新民晚報記者 張炯強
