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,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,可以執行類似機器運動的獨立分子或分子組裝體。驅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,使分子之間發生相互運動,最終實現做功。

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、實現機器多位點運動、實現機器單方向運動以及實現機器的多種刺激—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》創刊125周年之際,該刊公布了125個最具挑戰性的科學問題,其中之一就是“我們能推動化學組裝走多遠”。2009年,《自然·化學》在其創刊號上著重探討了未來化學發展的八大領域,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宏觀世界機器無法實現的功能。“諾貝爾獎的頒發,是對新概念的鼓勵,也是對這一發展方向的認可。”

目前,國內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。他和費林加也培養出了不少中國學生,其中一些已經回國從事相關研究。

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,我國科學家也或將做出富有創新性的成果。