楊先碧

你能想到世界上最小的機(jī)器有多小嗎？螺絲那么大，針尖那么大，灰塵那么大？都不對。世界上最小的機(jī)器是肉眼看不到的分子機(jī)器，它們比細(xì)胞和病毒還要小。來自法國的皮埃爾·索維奇、美國的弗雷澤·斯托達(dá)特以及荷蘭的伯納德·費林加，因為研究這些分子機(jī)器獲得重大突破，而共同獲得了2016年諾貝爾化學(xué)獎。三位科學(xué)家的成就之所以能夠獲得諾獎青睞，是因為他們的研究促使原本無序的分子能夠接受控制并執(zhí)行特定任務(wù)，為化學(xué)的發(fā)展開啟了一個新世界。

在微小的空間內(nèi)移動

我們?nèi)粘Ｊ褂玫臋C(jī)器，是由兩個或兩個以上的零件組成的。在給予一定的能量之后，機(jī)器會運轉(zhuǎn)，其實質(zhì)是內(nèi)部的零件發(fā)生相對運動。比如，我們各種電器中常用的電動機(jī)，由轉(zhuǎn)子和定子組成，通電以后轉(zhuǎn)子就能轉(zhuǎn)起來。

日常的機(jī)器是我們看得見摸得著的，而分子機(jī)器是十分微小的，其尺寸往往只有幾納米到幾十納米，大約是頭發(fā)絲直徑的千分之一，因此分子機(jī)器又常常被稱為“納米機(jī)器人”。盡管分子機(jī)器如此之小，但它也像日常機(jī)器那樣由兩個或兩個以上的分子構(gòu)件組成，得到合適的能量之后也能夠運轉(zhuǎn)，然后在微小的空間內(nèi)移動。

由于分子機(jī)器尺寸小得超出人們的想象，其研制過程也殊為不易。斯托達(dá)特說：“分子機(jī)器不是一夜之間就能發(fā)明的，它需要很長時間和很多優(yōu)秀人才的共同努力?！敝圃旆肿訖C(jī)器的最初構(gòu)想要回溯到1950年。當(dāng)時，美國著名物理學(xué)家理查德·費曼第一次提出，未來可以制造微小機(jī)械，讓其能夠?qū)嵤└鞣N各樣的精密操作。從那以后，制造分子機(jī)器就成為人類夢寐以求的向往。

分子機(jī)器“三部曲”

在長達(dá)30多年的時間里，三位獲獎?wù)咄瓿闪朔肿訖C(jī)器設(shè)計與合成的“三部曲”。第一個華麗的樂章是索維奇于1983年實現(xiàn)的，他成功地將兩個環(huán)狀分子扣在一起，形成名為“索烴”的分子機(jī)器。這種機(jī)器有些像我們的自行車鏈條的一部分，不過更像我們玩過的“九連環(huán)”玩具。

“索烴”由兩個或多個互相鎖在一起的環(huán)狀分子組成，而且這兩個（或多個）環(huán)狀分子能夠相對移動。諾貝爾評選委員會在公布這個獎項時，選用面包對“索烴”進(jìn)行了更形象的說明：他們拿出兩個套在一起的面包圈，解釋一對彼此獨立但又相連的分子。

索維奇是武漢大學(xué)和武漢科技大學(xué)的客座教授，曾經(jīng)到上述兩所大學(xué)和中南大學(xué)講學(xué)，做過與分子機(jī)器有關(guān)的主題講座。2013年10月21日，索維奇教授訪問武漢科技大學(xué)，當(dāng)天正好是他69歲的生日。

索維奇曾在講座中透露，與科學(xué)史上不少研究一樣，他的這一成功也來自一個意外。他本來在從事光化學(xué)領(lǐng)域研究，重點研究太陽能引發(fā)的光化學(xué)催化反應(yīng)，但當(dāng)他建立了一種光化學(xué)活性復(fù)合物模型后，卻意外發(fā)現(xiàn)一種獨特的分子鏈：兩個分子圍繞銅離子糾纏在一起，這就是“索烴”的由來。

在第二個樂章中，斯托達(dá)特出場了。他合成了名為“輪烷”的分子機(jī)器。這種機(jī)器由一個環(huán)狀分子和一個啞鈴狀的線性分子組成，就像車輪套在車軸承上一樣。這個環(huán)狀分子不是在線性分子這個“軸”上像車輪那樣轉(zhuǎn)動，而是沿著線性分子上下移動，最大移動距離為0.7納米。1994年，斯托達(dá)特還合成了由5個環(huán)狀分子鎖在一起的分子機(jī)器，十分像奧運會會旗上的五環(huán)，它將這種分子機(jī)器稱為“奧林匹克索烴”。

斯托達(dá)特與中國頗有緣分，他是“千人計劃”短期項目入選者，還在天津大學(xué)、吉林大學(xué)擔(dān)任教授、名譽(yù)教授等職位。2017年3月，斯托達(dá)特訪問復(fù)旦大學(xué)，他在與化學(xué)系本科學(xué)生的交流時表示：“成功的秘密就在于克服困難的能力。生活總有不如意的事，會有很多出乎意料的情況和難題要面對。這就是對于人生的考驗，考驗?zāi)隳芊裢咨频靥幚磉@些困難?！?p>

斯托達(dá)特鼓勵復(fù)旦大學(xué)的學(xué)生：“要充滿熱情做自己喜愛的事，要學(xué)會走出逆境，不要陷入困境難以自拔。行動起來，朝著自己的方向努力，才有機(jī)會看到希望的曙光。”斯托達(dá)特有句口頭禪：“我的標(biāo)準(zhǔn)就是把任何事情都做到極致?！庇幸淮?，斯托達(dá)特要求一個學(xué)生測試樣品，當(dāng)時得出的結(jié)果和他預(yù)期僅有一點差距，但他堅持讓學(xué)生重新做實驗。

最后出場的是費林加，他設(shè)計出了能向一個特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)。1999年，他研制了一個分子轉(zhuǎn)子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個馬達(dá)可以讓一個微型玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來。這個微型玻璃缸雖然直徑和高度都只有28微米，但是它比分子馬達(dá)本身大1萬倍。

費林加得知自己獲得了諾貝爾化學(xué)獎時說：“我很震驚，我不知道該如何描述，因為這太令人驚訝了。我很榮幸也很激動?！辟M林加是格羅寧根大學(xué)的傳奇人物，他總是充滿活力、富有激情。每天早上，他都騎自行車上班，還騎得飛快。費林加教授也與中國有緣，他是我國和荷蘭合辦的煙臺格羅寧根大學(xué)的榮譽(yù)教授，還給該校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的本科生上過課，給新材料研究中心的研究人員指導(dǎo)過研究課題。

分子機(jī)器有啥用

人類最終的夢想是讓分子機(jī)器跟我們生活中常見的機(jī)器一樣，完成復(fù)雜的操作。日常機(jī)器的用途顯而易見，然而微小的分子機(jī)器究竟有啥用？諾貝爾獎評選委員會在聲明中說，這三位獲獎?wù)甙l(fā)明了“世界上最小的機(jī)器”，將化學(xué)發(fā)展推向了一個新的維度。費林加對其獲獎成就解釋說：“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果，為未來新材料的研發(fā)和精密設(shè)備的制造打開了一扇新的窗口?！?/p>

由于簡單的分子機(jī)器有開和關(guān)兩種狀態(tài)，很像現(xiàn)在計算機(jī)的0和1兩種狀態(tài)。因此，科學(xué)家認(rèn)為分子機(jī)器也可以用來制造分子計算機(jī)。斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊先后成功“建成”環(huán)狀分子在線性分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構(gòu)成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開發(fā)出一種基于輪烷的計算機(jī)芯片，被認(rèn)為在將來有望顛覆傳統(tǒng)的計算機(jī)芯片技術(shù)?，F(xiàn)在的計算機(jī)晶體管結(jié)構(gòu)已經(jīng)很小了，但相比分子晶體管還是大得太多，分子芯片將像硅基晶體管一樣給計算機(jī)技術(shù)帶來革命性變化。

2011年，費林加的研究小組在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上制造了一款四驅(qū)納米汽車，一個分子底盤與作為輪子的4個分子馬達(dá)連接在一起，當(dāng)分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時，納米汽車就能向前行駛。這種納米汽車有望在微小空間內(nèi)運輸特殊化學(xué)物質(zhì)。目前，科學(xué)家還在研究怎樣把多個分子馬達(dá)組合，或把它們和其他分子聯(lián)系，組成一個稍微“復(fù)雜”的機(jī)器。在實驗室里，科學(xué)家已經(jīng)做成了由350個原子組成的螺旋槳。

除了三位獲獎?wù)咭酝?，?shù)以萬計的科學(xué)家正在從事這一領(lǐng)域的研究，他們已經(jīng)設(shè)計并制造出了大量可以像樂高積木一樣在納米尺度上完成組裝的分子機(jī)器部件，包括分子開關(guān)、分子棘輪、分子馬達(dá)、分子連桿、分子環(huán)和分子推進(jìn)器等。由于分析化學(xué)工具的不斷改善以及構(gòu)建有機(jī)大分子的相關(guān)反應(yīng)的日漸成熟，這一研究領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。

1831年，英國科學(xué)家法拉第發(fā)明出電動機(jī)時，很少有人明白它能做什么，連法拉第自己和當(dāng)時其他科學(xué)家都未曾想過它后來會廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，從尖端的航天飛船到日常的交通工具，從工業(yè)用的各種機(jī)械到家用電器，都能看到電動機(jī)的身影。而分子機(jī)器正如當(dāng)年的電動機(jī)一樣，現(xiàn)在尚未進(jìn)入實際用途，科學(xué)家認(rèn)為它們未來很有可能用于開發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲系統(tǒng)等。

分子機(jī)器即將進(jìn)入人體

除了在科研和工業(yè)上的用途外，分子機(jī)器將改變未來的醫(yī)療，極大地為我們的健康服務(wù)。未來，我們可能注射各種各樣的分子機(jī)器進(jìn)入我們的身體，讓它們成為我們的健康衛(wèi)士。

現(xiàn)在我們吃藥往往是通過血液循環(huán)經(jīng)過全身，雖然能夠在病變部位停留，但是也會在沒有病的地方停留。這對沒有病的部位帶來或多或少的影響，所以有“是藥三分毒”的說法。在未來，攜帶藥物的分子機(jī)器將定向抵達(dá)我們的病變部位，然后停下來，再慢慢釋放藥物。這些分子機(jī)器“定點治療”病變部位，不但療效快，而且不會對身體其他部位帶來傷害，因此不會產(chǎn)生毒副作用。

我們身體內(nèi)會產(chǎn)生不少廢棄物，這些廢棄物并不能完全隨著汗液或糞便排出體外，一些殘留廢棄物就堆積在我們體內(nèi)的血管或其他組織、器官內(nèi)，對我們的健康帶來傷害。有了分子機(jī)器，一些肩負(fù)“清淤”功能的分子機(jī)器就可以奔向這些“垃圾堆積處”，挖走廢棄物，然后隨著糞便排出體外。

這些分子機(jī)器甚至可以直接攻擊病變部位，比如癌細(xì)胞，把癌細(xì)胞一個一個地徹底消滅，讓癌癥患者恢復(fù)健康。總之，未來升級版的分子機(jī)器將成為我們身體內(nèi)優(yōu)秀的“殺毒軟件”，讓我們的身體一直處于最佳的運行狀態(tài)。分子剪刀或許將成為未來納米機(jī)器人的機(jī)械手臂，在我們體內(nèi)進(jìn)行微小手術(shù)。總之，分子機(jī)器將成為未來精準(zhǔn)醫(yī)療的重要組成部分。

目前，不少國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占分子機(jī)器這種新科技的戰(zhàn)略高地。每一種新科技的出現(xiàn)，似乎都包含著無限可能。在不久的將來，神奇的分子機(jī)器將源源不斷地進(jìn)入人類的日常生活。

（責(zé)任編輯張虹）

DNA分子機(jī)器

美國加州理工學(xué)院的華裔科學(xué)家錢璐璐研制出一種具有分揀功能的DNA分子機(jī)器，其身高僅20納米，它每邁一步的距離是6納米。而這看起來不起眼的一小步，卻需要花費5分鐘。錢璐璐表示，“就好像機(jī)器人被送到火星等人類不能到達(dá)的地方，我們希望有一天可以將DNA分子機(jī)器送到血管等人類無法到達(dá)的微小之處?！?/p>

我們都知道，DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，一個DNA分子有兩個鏈條。在錢璐璐設(shè)計的DNA分子機(jī)器中，有若干根鏈條，其中一根被稱為“入侵鏈”，其他的被稱為“釋放鏈”。在給予一定能量后，入侵鏈可以和第一根釋放鏈結(jié)合，然后又分離;接下來，入侵鏈與相鄰的下一根釋放鏈結(jié)合再分離。通過這種不斷的結(jié)合與分離，入侵鏈就可不斷向前移動。

DNA分子機(jī)器的移動是短距離的，往往只有幾納米。這樣的移動是為了對生物體內(nèi)進(jìn)行精細(xì)地操作。因為在移動過程中，DNA分子機(jī)器的入侵鏈還可以根據(jù)需要輸送物質(zhì)，比如把藥物輸送到特定位置，把垃圾清理到某個組織之外。如果患者患有惡性腫瘤，那么這種微小的機(jī)器人甚至可以完成定位，并操作一臺小型的腫瘤割除手術(shù)。

既然DNA分子機(jī)器移動距離只有微不足道的幾納米，那么，它如何才能抵達(dá)人體的相關(guān)部位呢？這其實不用我們操心，DNA分子機(jī)器可以被注射到血液中，借助血液循環(huán)系統(tǒng)的動力抵達(dá)人體各處，并在特殊的手段控制下停留在身體某處，完成科學(xué)家交給它的特定任務(wù)。這就如同飛船把機(jī)器人送到空間站，機(jī)器人只需在空間內(nèi)短距離行走，完成人們交給它的任務(wù)。