分子機器：應用“路漫漫”，但前景可期待

“我感覺有點像100年前首次飛上天的萊特兄弟。那個時候人們也在問,為什么我們需要一臺飛行器?”得知獲得2016年諾貝爾化學獎的消息后,伯納德·費林加在接受媒體采訪時展望了分子機器的未來,“你們可以想象某種納米級別的能量轉(zhuǎn)化器,一種微小的可以儲存能量和運用能量的機器。它開啟的是納米機器的新世界。”

諾獎的青睞,也讓人感到有些意外。國家納米中心主任劉鳴華告訴科技日報記者,分子機器屬于基礎研究,目前在應用上還沒有大的突破。一些人感慨,“沒想到(諾貝爾獎)給得那么早”。

不過,諾貝爾獎的頒發(fā),確實讓分子機器這個離日常生活有些遠的名詞,進入了公眾視野。

“分子機器是超分子化學的一個重要研究領域。”劉鳴華告訴科技日報記者,1987年,諾貝爾化學獎同樣頒給了超分子化學,當時的得獎者之一萊恩,是本次諾貝爾化學獎得主之一讓-皮埃爾·索瓦日的老師。這次,諾貝爾化學獎可謂“回歸化學”,頒給了一項純粹的化學研究。有人認為,超分子化學將迎來第二春。

分子開關、分子閥門、分子轉(zhuǎn)輪……實際上,分子機器是個頗為形象的稱呼。中科院化學所研究員陳傳峰表示,分子機器是將宏觀機器的概念引申至分子水平,指在合適的外界刺激下,可以執(zhí)行類似機器運動的獨立分子或分子組裝體。驅(qū)動分子機器運動的能量可以是各種化學能,也可以是電能、光能等。通過分子和分子之間非共價相互作用力形成的結(jié)構固定的超分子組裝體,再通過酸堿、離子、光、電等外界刺激,使分子之間發(fā)生相互運動,最終實現(xiàn)做功。

科學家們嘗試從納米尺度上“建造機器”。他們成為分子建造師,精心合成、設計與調(diào)控,讓分子動起來。

陳傳峰指出,制造分子機器在分子合成、實現(xiàn)機器多位點運動、實現(xiàn)機器單方向運動以及實現(xiàn)機器的多種刺激—響應問題上都存在難點。“目前的分子機器還只能模擬一些比較簡單的運動。”陳傳峰說,本次得獎的三位化學家,為分子機器設計出了基礎的零部件,但如何改良、組裝和實現(xiàn)不同功能,仍舊“路漫漫其修遠兮”。

不過,分子機器及其所屬的超分子化學,確實早已是一個備受關注的前沿熱門領域。2005年,在慶�！犊茖W》創(chuàng)刊125周年之際,該刊公布了125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題,其中之一就是“我們能推動化學組裝走多遠”。2009年,《自然·化學》在其創(chuàng)刊號上著重探討了未來化學發(fā)展的八大領域,其中之一就是分子機器。

“分子機器可以搭載藥物,進行藥物的定點精確釋放;它還可以成為微小的存儲單元,進行高密度存儲。”劉鳴華說,未來的分子機器有可能實現(xiàn)宏觀世界機器無法實現(xiàn)的功能。“諾貝爾獎的頒發(fā),是對新概念的鼓勵,也是對這一發(fā)展方向的認可。”

目前,國內(nèi)已有不少團隊在進行這方面研究。其實,三位獲獎者和中國化學界交流可謂頻繁。斯托達特受聘于天津大學,在天津大學有實驗室和項目組。他和費林加也培養(yǎng)出了不少中國學生,其中一些已經(jīng)回國從事相關研究。

陳傳峰說,在分子機器領域,我國起步較晚,不過也在迎頭趕上。隨著國家對基礎研究日漸重視,我國科學家也或?qū)⒆龀龈挥袆?chuàng)新性的成果。