陳冰

費林加指出，對年輕人來說，最重要的是要提出問題。攝影/岑丹峰

世界上最小的機器有多?。看鸢甘侵挥邪l(fā)絲千分之一粗細！在合成化學領域，微型電梯、微型電機、微縮肌肉，它們都有一個共同的名字：分子機器。

5月中旬，2016年諾貝爾化學獎得主伯納德·盧卡斯·費林加（Bernard Lucas Feringa）在“浦江科學大師講壇”上，以《造“小”的藝術：從分子開關到分子馬達》為題，分享了他的科研故事，以及他對于學術與創(chuàng)新的洞見。

從荷蘭農(nóng)場走出的諾獎大師

無論科技多么發(fā)達，費林加總會懷念童年時代的農(nóng)場生活。那是他夢想開始的地方——一個美麗的荷蘭小鄉(xiāng)村。12歲之前，費林加從未離開過那里。他有個很大的家庭，在9個兄弟姐妹中，他排行第二。

在費林加記憶里，家鄉(xiāng)的一切都是那么新奇有趣?！皩δ贻p人來說，最重要的是要提出問題?！睘槭裁椿ǘ淙绱嗣利?？為什么春天作物生長？一個個問題背后，是幼時的費林加對世界的好奇。

在農(nóng)場的閣樓上，費林加擁有了一座小小的化學實驗室，這是他在化學王國里的第一塊自己的領地。在那里，他親手合成化合物，觀察漂亮的晶體，通向科學的冒險之旅就此啟程。

“我喜歡分子世界，但是在分子美麗的花園中，我也常常迷路，找不準方向，但是這些讓人‘繞圈圈的問題是最有趣的，它們會帶來意想不到的答案，改變我們的世界?！?/p>

懷著對分子研究的熱情，費林加進入格羅寧根大學（University of Groningen）學習。其間，他親手做出了一個分子?！坝浀卯敃r我告訴教授我做出了分子，他說，世界上在你之前沒有人做出過這個，這個分子是屬于你的。”提起這件事，費林加今天依然驕傲，“盡管這個分子并沒有什么用處”。

至于幾十年后能獲得諾貝爾獎，是費林加壓根沒想過的事情。“就像參加奧運會的運動員，不是一天到晚想著拿金牌的。這需要努力訓練，還有點運氣。”

費林加主要研究“分子機器”，這是一種能在分子層面上實現(xiàn)將外部能量輸入轉化成運動輸出的裝置。通俗地說，就是由許多不同分子水平部件組裝在一起的裝置，這些分子部件在外部刺激下，可以像機器一樣運動，是一種超分子體系。

分子機器就作為在分子層面這種微觀尺度上運行的機器，也可以說是世界上最小的機器。與日常生活中我們所使用的、主要基于機械和物理原理的機器不一樣，分子機器聚焦于分子研究。未來，分子機器有可能被用于新型傳感器、新材料和能量儲存系統(tǒng)等前沿領域。

“分子開關”是其中一個非常重要的研究成果。

什么是開關？能夠在0和1兩種狀態(tài)進行轉換的分子就是開關。費林加俏皮地眨眨眼：“眼睛就是一種最簡單的生物開關。”而分子開關則將0和1的轉換帶到了納米級的尺度。

費林加相信，分子開關的光敏性與可以對患處實現(xiàn)精準治療的特點，讓它能夠在醫(yī)藥行業(yè)大顯身手。“眾所周知，細菌的耐藥性是人類的‘定時炸彈，于是我們生產(chǎn)了能夠以光來激活的抗生素，通過光線的照射實現(xiàn)開啟和關閉?！?/p>

他向大家展示了自己的實驗，培養(yǎng)皿中的細菌在沒有光線的地方可以正常生長，而在有光照的地方無法生存?！斑@意味著，未來藥品會變得更加安全?！?h3>5人，8年，造出2納米微型車

“我們要以什么樣的方式面對未來？”略作停頓后，費林加伸手向前輕輕一握，“迎接未來最好的方式就是‘創(chuàng)造未來?！?/p>

因為喜歡發(fā)明，費林加做過很多有趣的嘗試——荷蘭以風車著名，他便想著用分子來搭一座風車，“有底柱、風葉和軸，通過光的驅動，能像真正的風車一樣轉起來?！鄙踔猎斐鲆徽麄€能放在水平面上的“分子風車公園”。

費林加合成的分子馬達，則是將宏觀意義上的發(fā)動機在微觀層面進行復現(xiàn)，是分子機器的關鍵組成部件之一。費林加的課題組通過借鑒DNA這個右手性的螺旋體制造了會旋轉的分子馬達，且通過模擬人眼中的光分子開關來控制馬達速度。課題組還借鑒月亮繞行地球的方式，制造了旋轉時永遠固定朝向的分子馬達；借鑒人類細胞光開關的工作原理，制造了光驅動的分子馬達從而構建出柔軟的人造“肌肉”。

控制分子馬達運動最重要的問題是什么？“那就是控制馬達的旋轉，包括速度和方向?！辟M林加研制的第一個分子馬達，一小時只能轉一圈，“可不能把這個馬達安在車上，太慢了”，而最新的分子馬達一秒鐘可以旋轉1000萬圈，這是個驚人的進步。

實際上，“用分子制造機器”這一想法早已有之。早在1959年，物理學家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）就談到過“在小范圍內操縱和控制事物”的問題，其中“小范圍”指的就是由一個或幾個分子所組成的機器。

二十年后，納米技術先驅埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）偶然發(fā)現(xiàn)了費曼關于機器講座的抄本。他在費曼設想的基礎上做出了進一步發(fā)展，于1981年發(fā)表了一篇名為《分子工程》的論文。在文章中，德雷克斯勒提出了通過分子大小的機器在原子尺度上操縱化學過程甚至構建新材料的設想。

再后來，便是三位諾獎得主的工作。首先，索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）教授成功合成了一種名為索烴（catenane）的兩個互扣的環(huán)狀分子，這兩個分子能夠相對移動；隨后，斯托達特（Sir J. Fraser Stoddart）教授合成了輪烷（rotaxane），即將一個環(huán)狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個軸上下移動，并成功實現(xiàn)了上升高度達0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；最后，費林加教授設計并合成分子馬達。有了這三種關鍵部件，分子機器的概念才得以完全構建起來。

對于化學特別是有機化學領域的科研工作者來說，其重要使命就是合成這個世界上不存在的新分子結構，實現(xiàn)新材料功能，同時提供新的科學見解。

費林加親手做出的第一個獨屬于自己的分子。

費林加說，今天我們深入微觀世界，研究“小”的藝術，便是在另一種時空尺度上迎接新的機遇與挑戰(zhàn)。

首先，“小”是一切“大”的基礎。研究肉眼不可見的微小之物，有助于我們理解世界的運行規(guī)律——這不僅僅是科學家出于好奇心的探索，也是人類追尋世界本源、拓寬認知邊界的重要一步。

科學研究中，所有的門路都要自己摸索，到底哪里走得通一開始誰都不知道，所以你必須允許犯錯，并會從錯誤中學到知識。

其次，“小”本身也有獨特價值。對“小”的研究可以重塑我們的生活方式。生活在上個世紀的人大概無論如何也想象不到，今天的我們可以把曾經(jīng)塞滿整個房間的電腦捧在手上。正是由于幾十年來科學家們不斷縮小晶體管尺寸的努力，才有了人類今天交流與獲取信息的便捷。

由此可見，如果將機器做到分子尺度，也可能給人類社會帶來革命性的改變。當然，建造分子機器所面臨的問題與上述領域并不相同——它是化學和物理學科的重大挑戰(zhàn)，主要集中于合成化學、分子組裝與納米技術等方面。

費林加設計并合成了一個能定向旋轉的分子馬達（molecular motor），這個馬達可以帶動一個比它本身大1萬倍的玻璃棒（28微米長）旋轉起來，從而完成了分子機器領域研究的關鍵一環(huán)。“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)開啟了廣闊前景。”他說。

目前，這些技術已經(jīng)用于抗癌新藥上，比如，通過光開關來控制抗癌藥物的作用，當人體照射紅外線時，藥物的作用開關就會開啟?！拔磥?，我們甚至可以把帶有分子馬達的納米機器人注入到人體內，清晰地觀測到某個細胞的問題。到那時候，也許只需曬曬太陽，就可以讓分子機器把藥物精準地遞送到那些問題細胞?！?/p>

費林加坦言，這些雖然現(xiàn)在聽起來還很科幻，但在未來完全可以實現(xiàn)。“基礎研究的關鍵是，我們每個人都必須走出自己的地平線，做出新的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，向自然尋求靈感。”

通過耦合分子馬達，費林加團隊還研制出四輪“分子車”。在這輛大小僅有2納米超微型的車上，分子馬達的旋轉的力轉化成為平移的力，世界上最小的車就這樣開動了。

在這輛大小僅有2納米超微型的車上，分子馬達的旋轉的力轉化成為平移的力，世界上最小的車就這樣開動了。

為了造出這輛微型納米車，費林加和4個學生花了足足8年時間。一開始他們造出來的四輪納米車，所有輪子往一個方向旋轉，車子只能原地打轉不能前進。團隊花了3年糾正錯誤。

但費林加不怕犯錯，也建議大家千萬不要害怕犯錯。

“科學研究中，所有的門路都要自己摸索，到底哪里走得通一開始誰都不知道，所以你必須允許犯錯，并會從錯誤中學到知識?！?h3>學習，永遠在路上

分子馬達、納米車、分子機器……對于很多人來說，費林加做的研究聽上去像是科幻片，距離日常生活依然遙遠。

事實上，基礎研究到現(xiàn)實應用從不會一蹴而就。費林加最為頭疼的問題之一，就是經(jīng)常被問“你的研究有什么用”。

“現(xiàn)在的分子馬達，相當于19世紀30年代的電動馬達，那時的研究者僅僅在實驗室里展示各式各樣的旋轉曲柄和動輪，絲毫不知這些東西將導致洗衣機、風扇的誕生。”費林加相信，通過不同學科的協(xié)力與合作，能鋪就未來發(fā)展之路。

費林加暢想，現(xiàn)在，分子馬達和分子車已經(jīng)可以做出旋轉、平移、推動這樣精彩的運動，50年后，它們或許會迎來實質性應用，那時將做得更多、更好。

比如在醫(yī)療領域，分子機器可以進入人體精準靶向遞送藥物，為癌癥治療提供助力；在材料領域，分子機器可以制造能夠進行自清潔和自修復的材料；在計算機領域，分子機器可以成為信息的存儲單元……

“怎樣創(chuàng)造未來、解決人類現(xiàn)有困境？分子納米技術可以提供一種路徑，其他學科也有自己的路徑，但最重要的是我們要將智慧和努力結合起來?！辟M林加的團隊和合作對象中包括許多不同國家、不同專業(yè)的學者，他也正通過學習，與不同學科對話交流，激發(fā)更多研究靈感?！翱茖W的旅程是一場冒險，對于年輕人來說，保持好奇、勇于探索是最重要的?！?/p>

對于青年學子，費林加總不吝給予最熱情的鼓勵，同時不忘建議，學術研究行穩(wěn)致遠的訣竅，需要“兩條腿”走路，而不能“單腳跳”——一方面，致力創(chuàng)新突破，爭取得出開創(chuàng)性成果；另一方面，也要在自己熟悉的領域做些研究，為自己積攢學術聲譽，提高學術能力?！斑@樣一來，即使遇到失敗也有緩沖的余地?！?/p>

“有人說，你得了諾貝爾獎，不需要再學習了?！?/p>

費林加則表示：“不是的，當我們想要制造智能藥品（smart medicine），就要和生物學家、臨床醫(yī)生合作，我需要了解他們的知識。我們相互學習、相互欣賞，這極其重要?！?p>

費林加的科研團隊匯集了13個國家和地區(qū)的學生。

正如幾年前，他專門買了本細胞學的書，1200頁，像個大一新生一樣從頭學起，一步步理解并實踐著偶像達·芬奇在150年前說的那句名言——“當自然完成了對它的物種的生產(chǎn)的時候，人類就要開始在自然的幫助下創(chuàng)造無限的種族和物種?！?/p>

從大學畢業(yè)后，費林加在產(chǎn)業(yè)界工作了一段時間，后來又回到大學任教。他說，自己一直記得自己的導師漢斯·溫伯格的名言：“希望每一個孩子在他的一生中，都有一個能讓他變得與眾不同的好老師?！彼裕矘酚诤筒煌挲g段的學子保持密切的交流。“教育不應該是重復，而應該讓學生通過做各種豐富的實驗、在實踐中學習，讓學生在對世界的探索中學習。”

“未來需要靠年輕人來創(chuàng)造，我花時間和青少年交流，不是為了現(xiàn)在，而是為了未來——為了他們能在將來更好地塑造這個世界。”費林加說。（殷夢昊、張菲埡、劉栩含對本文亦有貢獻）

院士小傳

伯納德·盧卡斯·費林加

1951年出生于荷蘭，有機化學家，主要從事分子機器與有機不對稱催化等領域的研究。2016年的諾貝爾化學獎頒給了包括費林加教授在內的三位科研人員，以表彰他們在分子機器領域做出的貢獻。其中，費林加教授設計并合成了一個能定向旋轉的分子馬達，完成了分子機器領域研究的關鍵一環(huán)，從而引發(fā)“分子革命”，將化學研究推向了一個新維度。

目前，費林加是范特霍夫分子科學名譽教授，荷蘭皇家科學院院士、歐洲科學院院士、美國國家科學院院士、美國人文與科學院外籍院士、中國科學院外籍院士。