本年度诺贝尔化学奖授予三位欧洲科学家Jean-Pierre Sauvage(法国)、J. Fraser Stoddart爵士(英国)及 Bernard L. Feringa(荷兰)，他们将平均分享800万瑞典克朗的化学奖奖金，因为他们在“分子机器”领域的发展过程中各自扮演了独特而不可缺少的角色。这些微观尺度的分子机器，比人类头发丝直径还要小1000倍。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。”

第一个“分子零件”的问世

1983年，Jean-Pierre Sauvage成功地将两个环形分子连接起来，形成一根链，并将其命名为“索烷(catenanes)”。通常情况下，分子之间以共享电子的方式，通过强共价键相结合。但在链状分子中，分子的结合则是机械式的。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——这两个相互扣合的环形分子，率先达到了这个要求。Sauvage不久之后便意识到，“索烷”并不仅仅是一类新型分子。他实际上已经迈出了通往构建“分子机器”的第一步。

分子机器的第二个雏形，则是一位在没有电力供应也没有任何现代设施的偏远苏格兰农场上长大的化学家完成的——J. Fraser Stoddart爵士还是个孩子时，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。

1991年，Stoddart爵士的研究组制造了一个开放的分子环，这个分子环是缺失电子的;同时他们还造出一个长柱状分子(或者说是一段“轴”)，这种分子则有额外的电子。当这两种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。研究者随后封闭分子环结构，这样就得到了一类被称作“轮烷(rotaxanes)”的特殊分子：环状分子结构与轴状分子结构的机械结合体。随后，Stoddart充分利用了分子环可沿着轴自由移动的性质。当他对该结构加热时，分子环开始在富余电子的轴两端之间前后跳动，就像缝纫机的梭子。到了1994年，Stoddart已经能够做到对其运动状态的完全控制，打破了化学体系中原先占据主导的随机性。

1994年之后，Stoddart团队利用多种不同的轮烷制造出大量不同的分子机器，包括一台电梯(其上升高度可达到0.7纳米左右)和一种人造肌肉，这种用轮烷构成的“分子肌肉”成功地弯折了一片很薄的黄金薄片。通过与其他研究者合作，Stoddart还开发出一种基于轮烷、内存为20KB的计算机芯片。如今用于计算机的晶体管已经非常小，但如果和这种分子“晶体管”比的话它们就是庞然大物。研究人员相信，这种分子芯片技术或许在未来将有望颠覆现有的传统计算机芯片技术。

Sauvage也对轮烷的潜力进行了研究。2000年，他的研究组成功地将两个环状分子连接在一起形成有弹性的结构，让人联想到人类的肌肉纤维。他们还研制出能够与马达相联系的结构，在这种特殊结构中，轮烷的一个环能够沿不同方向转动。

▲两种索烷(上)与两种轮烷(下)的结构式

分子马达与分子汽车

在分子工程领域，创造出能够持续不断沿着同一方向转动的分子马达，一直是个重要的目标。在上世纪90年代，人们曾经做过很多尝试，但第一个闯过这道关卡的，则是荷兰科学家Bernard L. Feringa。他从小在农场长大，后来被拥有无限创造机会的化学所吸引。正如他在一次采访中所表述的那样：“也许化学的力量不仅仅是理解，还有创造——创造那些从未存在过的分子和物质。”

▲两种索烷(上)与两种轮烷(下)的结构式

通常情况下，分子的运动受到偶然性的支配。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。但在1999年，当Feringa制造出第一个分子马达时，他利用了一些巧妙的技巧，使分子沿着同一个方向旋转。该分子的组成可以比喻为两个小的旋翼叶片，两个叶片由两个碳原子之间的双键相连接，还有甲基被附加到每个旋翼上。第一部分子马达的运行速度并不快，但Feringa团队对其进行了优化。到2014年，其运转速度已经达到了每秒1200万转。2011年，研究小组又制造了一款纳米四驱车，一个分子底盘安装了四个马达(作为轮子)。当轮子旋转时，汽车即会前行。

在另一个引人注目的实验中，Feringa的研究小组利用分子马达旋转一个28微米长的玻璃缸(比分子马达大10000倍)。实验中，他们把马达集成到了液晶中。当研究人员启动旋转时，马达改变了液晶的结构。当研究人员把玻璃缸放在液晶上时，马达的运动带动了玻璃的旋转。

▲以分子马达为基础的“分子汽车”在金属表面上行驶

他们带来了崭新的化学

三位诺贝尔化学奖获奖者在研发分子机器过程中各自创造的突破，最终形成了一个化学结构工具箱，目前已被全世界研究人员在进行化学结构创作时采用。在他们之前，科学家虽已有分子机器的概念，但没有人将这些东西实际做出来。他们打造了这个领域的基础，并让世界相信，该领域是有未来的。

另外，他们也推动分子系统远离了所谓的“平衡”。所有的化学系统都力求达到平衡——这是一种低级的能量状态，也是一个僵局。以日常生活为例，当我们吃饭时，身体的分子从食物中提取能量，并推动我们的分子系统远离平衡，到更高的能量水平。人类体内的生物分子使用能量来驱动身体工作所需的化学反应。如果身体处于化学平衡状态，我们就会死亡。

至于“分子机器”的应用，我们目前只看到了机器小型化可能带来影响的初始阶段。目前分子马达所处的阶段，相当于19世纪30年代的电子马达。当时，研究人员的想法还处于实验室阶段，并未想到后来会引发出电气火车、洗衣机、电风扇和食物处理器等。如今在接受诺贝尔奖委员会电话采访的时候，Feringa也谈到了分子机器的应用前景：“我感到现在有点像一个世纪之前莱特兄弟首次飞行的时候，当时的人们也在问‘你们的机器能有什么用?’，而如今我们有了波音747和空中客车。”■

(综合自新浪科技、科学网等)