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        查理與分子機(jī)器工廠

        2022-10-20 02:33:30張馨文王思堯戴岳宿艷姜文鳳
        大學(xué)化學(xué) 2022年9期

        張馨文,王思堯,戴岳,宿艷,姜文鳳

        大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧 大連 116024

        1 探訪神秘的分子機(jī)器工廠

        小查理是巨人世界的一個(gè)男孩。從查理家的窗子望出去,可以看到全世界最神秘的工廠——分子機(jī)器工廠。

        工廠門前掛著一個(gè)大大的標(biāo)語“你到底能制造出多小的機(jī)器?”看著這個(gè)標(biāo)語,小小的查理心想,巨人世界的機(jī)器是由各種金屬和非金屬部件組裝成的裝置,消耗能源,可以運(yùn)轉(zhuǎn)、做功。它能用來代替人的勞動(dòng)、進(jìn)行能量變換、信息處理,以及產(chǎn)生有用功[1]。巨人世界的工匠用一個(gè)個(gè)小小的零件,組裝起如洗衣機(jī)、冰箱、掃地機(jī)器人、汽車、計(jì)算機(jī)、電梯等越來越多改變世界的機(jī)器。通過機(jī)器,小查理所生活的巨人世界得以高效有序的運(yùn)轉(zhuǎn)。

        那么,分子機(jī)器工廠里的機(jī)器會(huì)像巨人世界里的機(jī)器一樣嗎?他們也是通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)來完成一項(xiàng)有用的任務(wù),從而讓一切有計(jì)劃、有目的地發(fā)生嗎?如果分子成為機(jī)器的零件,那么這些零件如何連接在一起形成分子機(jī)器?又怎樣發(fā)生相對(duì)移動(dòng)呢?

        小查理的好奇心越來越重,終于有一天,分子機(jī)器工廠大門前張貼了一個(gè)告示:“我們將邀請(qǐng)一位幸運(yùn)的孩子參觀充滿奧秘的分子機(jī)器工廠?!睙釔劭茖W(xué)的小查理獲得了這次機(jī)會(huì),探索分子機(jī)器工廠的時(shí)光開始了。

        2 分子機(jī)器的雛形

        首先,小查理參觀了分子機(jī)器工廠的歷史博物館。分子機(jī)器工廠的建造歷史要從20世紀(jì)說起。

        2.1 索烴的誕生

        20世紀(jì)80年代,分子機(jī)器工廠將兩個(gè)環(huán)狀分子成功地連接在一起,如同巨人世界中用金屬環(huán)連成的鎖鏈一樣。

        通過觀察分子機(jī)器的制作過程,小查理了解到連接環(huán)狀分子的兩種方法(圖1)。方法A的零件是4個(gè)半月形分子,其中2個(gè)半月形分子以金屬為中心,再將剩下2個(gè)半月形分子連接在這個(gè)配合物上;而方法B中零件是1個(gè)環(huán)形分子和2個(gè)半月形分子,在1個(gè)半月形分子和環(huán)形分子通過中心金屬連接在一起后,再和剩下的半月形分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成第2個(gè)環(huán)。脫除中心金屬離子后,神奇的事情發(fā)生了,小小的分子像生活中的兩個(gè)圓環(huán)一樣完成了互鎖。

        圖1 機(jī)械式連鎖分子兩種不同的合成路徑圖示[2]

        小查理有些困惑,這個(gè)連鎖分子的生成和原來在化學(xué)課上學(xué)到的化學(xué)反應(yīng)有什么不同呢?就在這時(shí),一位白發(fā)蒼蒼的老爺爺走了過來,他告訴小查理,這兩個(gè)環(huán)形分子之間存在著弱的相互作用,而這兩個(gè)環(huán)形分子內(nèi)部的原子是通過很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合在一起的。

        小查理看到分子機(jī)器工廠歷史博物館的一個(gè)展品——索烴(圖2A),它是利用方法B合成的具有3個(gè)鏈結(jié)的索烴。銅離子作為中心金屬參與合成,而后加入配位劑(CN-)即可將銅離子脫除。最終得到的索烴,像小查理生活中的鎖鏈一樣,一環(huán)套著一環(huán)(圖2B)。

        圖2 (A) 用銅離子配位合成的索烴[2];(B) 全部脫除中心金屬后的索烴[2]

        小查理猜想,巨人世界的機(jī)器運(yùn)作時(shí)需要消耗能量,分子機(jī)器是不是也需要提供支撐它運(yùn)轉(zhuǎn)的能量呢?小查理猜得沒錯(cuò),通過化學(xué)物質(zhì)、光、電、磁等驅(qū)動(dòng)或者其他分子控制分子機(jī)器,有望使分子機(jī)器實(shí)現(xiàn)特定功能。1996年,分子世界的研究人員讓這種以銅離子為中心金屬的索烴實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)環(huán)之間的相互運(yùn)動(dòng)。銅離子通過氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致配位數(shù)發(fā)生變化,索烴的熱力學(xué)穩(wěn)定性隨之而變,即分子環(huán)要旋轉(zhuǎn)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。也就是說,當(dāng)銅離子失電子時(shí),其中一個(gè)分子環(huán)將旋轉(zhuǎn)到更穩(wěn)定的位置;如果銅離子重新得到電子,則分子環(huán)轉(zhuǎn)回原位。

        2.2 輪烷的誕生

        分子機(jī)器工廠博物館里的輪烷(rotaxane)吸引了小查理的注意。它的零件是一個(gè)像巨人世界輪胎一樣的分子環(huán)。輪胎需要和軸承搭配,這個(gè)軸承就是一個(gè)軸狀分子。當(dāng)分子環(huán)和軸狀分子在溶液中相互結(jié)合,就形成了一個(gè)環(huán)狀分子套在一個(gè)軸狀分子上的結(jié)構(gòu),恰似車軸穿過輪胎。這個(gè)環(huán)狀分子與軸狀分子的機(jī)械結(jié)合體,即為輪烷[3]。與巨人世界中的輪胎繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)不同,分子世界中的環(huán)狀分子是沿軸運(yùn)動(dòng)的。

        如果“輪胎”可以沿軸往返運(yùn)動(dòng),這種輪烷即稱作分子梭(molecular shuttle) (圖3)。小查理看到了熱驅(qū)動(dòng)的分子梭,即一個(gè)分子環(huán)根據(jù)溫度變化在軸狀分子的兩端之間快速穿梭的結(jié)構(gòu)。

        圖3 熱驅(qū)動(dòng)的分子梭[4]

        小查理還見到了一個(gè)通過改變酸堿度來調(diào)節(jié)輪胎位置的輪烷(圖4)。

        圖4 通過酸堿調(diào)節(jié)“輪胎”位置的輪烷圖示[5]

        看過了這些分子機(jī)器的雛形,小查理不禁開始期待,分子機(jī)器工廠車間的大門背后藏著怎樣一個(gè)看似渺小卻無比偉大的世界。

        3 分子世界的三次“工業(yè)革命”

        3.1 分子世界的第一次“工業(yè)革命”

        來到分子機(jī)器工廠的車間,小查理迫不及待地推開門,見到的第一個(gè)機(jī)器是分子馬達(dá)。馬達(dá)在巨人世界對(duì)人類文明有巨大的推動(dòng)作用,汽車、電動(dòng)牙刷等都離不開馬達(dá)。分子世界中有一個(gè)天然的馬達(dá)——三磷酸腺苷合成酶。小查理十分震驚,他沒想到,自己一直好奇的分子機(jī)器原來就藏在自己的身體里!接著,工廠的研究人員給小查理介紹了一種人工分子馬達(dá),它像是小查理在巨人世界見過的兩個(gè)小的動(dòng)葉片,分子世界稱為轉(zhuǎn)子(圖5),通過碳原子間的雙鍵相連接。當(dāng)分子受到特定波長的光照射,一個(gè)動(dòng)葉片即圍繞中間的雙鍵旋轉(zhuǎn)180°,隨著下一個(gè)光信號(hào)到來,動(dòng)葉片又旋轉(zhuǎn)180°,回到原來的位置。這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了光能、熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。

        圖5 光驅(qū)動(dòng)單向分子轉(zhuǎn)子[6]

        研究人員將分子馬達(dá)放到液晶中。分子馬達(dá)通過光照開始旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)液晶結(jié)構(gòu)改變。而當(dāng)把一個(gè)微米級(jí)顆粒放在液晶上時(shí),顆粒也隨著液晶開始旋轉(zhuǎn)[7]。小查理親眼見證了這個(gè)分子馬達(dá)帶動(dòng)一個(gè)比自身大萬倍的顆粒旋轉(zhuǎn)起來!

        研究人員又給小查理看了他們制造出的一款“四驅(qū)”納米汽車(圖6),通過將一個(gè)軸狀分子與分子馬達(dá)整合,恰似小查理家中的四輪汽車。

        圖6 “四驅(qū)”納米汽車[8]

        小查理想到了巨人世界第一次“工業(yè)革命”完成的標(biāo)志是“機(jī)器制造機(jī)器”,那么分子世界可以用機(jī)器制造機(jī)器嗎?

        對(duì)于小查理的這個(gè)問題,David Leigh教授回答說:“就像宏觀世界的工廠里機(jī)器被用來組裝汽車一樣,我們希望將來有一天在分子工廠里也能用分子機(jī)器來高效地制造新東西?!?/p>

        David Leigh教授的團(tuán)隊(duì)制造了類似巨人世界中機(jī)械臂的分子機(jī)械臂。它由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的藍(lán)色開關(guān)控制,機(jī)械臂的轉(zhuǎn)子通過與貨物(綠色小球)形成共價(jià)鍵來拾取貨物,改變條件使手臂和貨物不能脫離。隨后開關(guān)旋轉(zhuǎn)到新的位置,并通過斷開手臂與貨物之間的化學(xué)鍵將貨物釋放。通過對(duì)貨物的拾取、釋放和藍(lán)色開關(guān)帶動(dòng)的手臂的旋轉(zhuǎn),就完成了一次貨物的運(yùn)輸(圖7)。小查理想到,這樣反復(fù)拾取、釋放貨物的過程也是巨人世界生產(chǎn)車間需要人工或者機(jī)器人完成的事情!

        圖7 使用分子機(jī)械臂拾取、運(yùn)輸和釋放分子貨物[9]

        3.2 分子世界的第二次“工業(yè)革命”

        分子世界的第二次“工業(yè)革命”伴隨著分子電子器件的產(chǎn)生。小查理想到了家里的計(jì)算機(jī),它有開關(guān)、導(dǎo)線、顯示屏。而分子世界也有分子電子器件[10],比如分子導(dǎo)線、分子開關(guān)等,它們都有自己的電學(xué)特性。分子世界正期待著用這些元件組裝完整的分子計(jì)算機(jī)。

        在巨人世界中,導(dǎo)線作為電子領(lǐng)域的基本電子元件是連接整個(gè)電路系統(tǒng)的重要組成部分。在小查理的生活中,電視機(jī)、洗衣機(jī)等電器設(shè)備都需要依靠導(dǎo)線輸送電流;計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管也要通過導(dǎo)線連接。在分子世界,當(dāng)導(dǎo)線的直徑縮小到分子尺度時(shí),就變成了分子導(dǎo)線。

        不同于分子馬達(dá)需要吸收外界能量,從低能態(tài)轉(zhuǎn)化到高能態(tài)。分子開關(guān)不需要做功。廣義的分子開關(guān)可以在pH、光波、溫度、電荷等條件的改變下,擁有兩種及以上的不同穩(wěn)定狀態(tài)。利用這一特質(zhì),分子機(jī)器工廠制造了分子肌肉[11]、分子邏輯門[12]、分子電梯[13]等多樣的“開關(guān)”。

        小查理在車間見到了一種用輪烷二聚體構(gòu)成的“分子肌肉”(圖8),就像人類通過肌肉的收縮和伸展,調(diào)節(jié)肌肉宏觀的長度,才可以拿起重物、彎折物體一樣。分子肌肉通過與不同的金屬離子和配位劑進(jìn)行配位時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)收縮與伸展。這樣的分子肌肉在分子世界中可以利用其收縮伸展的特性調(diào)節(jié)其他物質(zhì),在小查理的巨人世界有望成為人造肌肉材料的組成部分。

        圖8 輪烷二聚體——“分子肌肉”[14]

        與分子肌肉原理相同的是“分子電梯”。分子電梯(圖9)雖然不能做功,但酸堿調(diào)節(jié)可以控制平臺(tái)(紅色)上下運(yùn)動(dòng),恰似小查理生活中乘坐的電梯,可以在樓層間上下穿梭。

        圖9 “分子電梯”圖示[14]

        巨人世界中的微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)很小了,不過和分子相比仍然是巨大無比。小查理已經(jīng)見證了小型化計(jì)算機(jī)技術(shù)革命所帶來的影響,而分子則有望顛覆現(xiàn)階段的硅基晶體管,讓電子器件的尺寸進(jìn)一步縮小、性能進(jìn)一步提高。小查理設(shè)想,如果將分子計(jì)算機(jī)運(yùn)用于巨人世界,這將為計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來革命性變化。

        3.3 分子世界的第三次“工業(yè)革命”

        小查理想起自己的偶像費(fèi)曼在1959年“最底一層大有可為”的演講中的一句話,“你可以‘吞下一個(gè)外科醫(yī)生’。”小查理猜測(cè),分子世界的第三次“工業(yè)革命”是否將要把分子機(jī)器送入人體?如果分子機(jī)器可以成為一個(gè)小小的醫(yī)生,就能進(jìn)入人體搜索病變之處并對(duì)癥下藥。

        2013年,分子世界設(shè)計(jì)出了人工小分子機(jī)器,這個(gè)機(jī)器擁有著類似于自然界中核糖體的功能。分子機(jī)器沿分子鏈定向移動(dòng)時(shí),通過分子機(jī)械臂拾取前方的氨基酸,并將其轉(zhuǎn)移,人工“核糖體”向前移動(dòng),繼續(xù)拾取前方新的氨基酸。重復(fù)的拾取轉(zhuǎn)移使氨基酸脫離原始軌道,形成新的分子,即肽鏈。分子世界用了1018個(gè)這樣的分子機(jī)器,最終合成了一條肽鏈[16]。

        小查理剛剛在分子機(jī)器工廠看到的分子馬達(dá),它能被光驅(qū)動(dòng)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上,利用其機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于打開細(xì)胞膜[17,18]。分子世界的一項(xiàng)研究表明,光驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)快速旋轉(zhuǎn),可以鉆開細(xì)胞膜、破壞組織、殺死多細(xì)胞真核生物[19],這有望用于癌癥、寄生蟲、細(xì)菌和病變組織的治療。

        4 小查理的感悟

        小查理的分子機(jī)器工廠一日游就這樣結(jié)束了,他的心中正孕育著一個(gè)夢(mèng)想:他想成為分子機(jī)器工廠的一名研究者,致力于讓分子世界與巨人世界接軌。分子機(jī)器正是宏觀世界與微觀世界相通的載體,就像在19世紀(jì)30年代的電動(dòng)機(jī)改變了世界一樣,這些分子機(jī)器也將改變世界。

        或許現(xiàn)在,小查理已經(jīng)能夠回答分子機(jī)器工廠門前的標(biāo)語——“我們能夠制造的最小的機(jī)器究竟有多???”。在分子機(jī)器工廠,小查理找到了答案。

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