2016年諾貝爾化學獎獲得者：讓-皮埃爾·索瓦日（左）、弗雷澤·斯託達特（中）以及伯納德·費林加（右）。
分子機器示意圖。
通訊員王平 河北日報記者周潔
說到機器，多數人想到的可能是工廠裡的龐然大物。其實，目前世界上最小的機器是肉眼看不到的、只有人類頭髮直徑的千分之一大小，稱為分子機器。
近日，2016年度諾貝爾化學獎揭曉：授予法國斯特拉斯堡大學的讓-皮埃爾·索瓦日、美國西北大學的弗雷澤·斯託達特以及荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費林加三位科學家，以獎勵他們在分子機器設計和合成方面的貢獻，將化學發展推向了一個新的維度。
諾獎的青睞，讓分子機器這個離日常生活有點遠的名詞開始走入公眾視野。接下來，2016年諾貝爾化學獎和它所掀起的分子機器熱潮，將如何改變我們的生活？
「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，為什麼我們需要一臺飛行器？但是，我們現在已經有了波音和空客。」費林加展望了分子機器的未來，「你們可以想像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。」
科學家們相信，這些電子顯微鏡下才能露出真容的微小機器，將給人類帶來全新生產力。
大小不到頭髮絲千分之一
試著想像這樣一個情景：一個機器人沿著預定軌道緩慢行進，時不時停下來伸出手臂收集一下零件，並放置在背後一個特別設計的結構裡。
如果不告訴你這條流水線其實只有幾納米長，你可能會以為上面描述的是一個高科技工廠中的場景。而在這條納米流水線中，零件是胺基酸，多個零件則串成了一小段多肽。
這就是一個神奇的分子機器，科學家猶如「分子建築師」，通過化學手段去模擬活細胞中可像機器一般發揮作用的生物分子。
「分子機器是超分子化學的一個重要研究領域。」11月4日，河北師範大學化學與材料科學學院院長於海濤教授表示，分子機器是將宏觀機器的概念延伸至分子水平，在適當的外界刺激下，可以執行類似機器運動的單個分子或分子組裝體。
於海濤解釋說，驅動分子機器運動的能量可以是化學能，也可以是電能、光能等。
人類能把機器做到多小？
這是傑出的美國物理學家、諾貝爾獎得主理察·費曼在上世紀50年代對納米技術發展提出的一個問題。這位科學家相信，人類有可能用「巨大」的雙手製造出那種極小的、必須依靠電子顯微鏡才能觀察的微型機器。
如今，費曼的預言成真了：分子機器可以回答這個問題——大小不到一根頭髮絲的千分之一。
三位本年度諾貝爾化學獎獲得者用三十多年的時間完成了分子機器設計與合成的「三步走」:
第一步是將兩個環狀分子連接在一起，1983年，索瓦日實現了這一步。他創建出一種環狀以及一類新月狀分子，利用化學反應將另外一個新月狀部分連接在一起，從而用兩個新月狀結構拼接成另一個圓形分子，如此便得到了環形分子鏈中的第一個環。
1994年，索瓦日成功合成出一種「索烴」，其中一個分子環是可以以受控方式旋轉的，當施加外部能量時，它會圍繞另一個環轉動。這是非生物分子機器的第一個雛形。
接下來是第二步，利用一個分子推動另一個分子運動，斯託達特實現了這一點。1991年，他成功合成出了「輪烷」，即將一個環形分子套在一個線性分子上，如此，環形分子就能以線性分子為軸，進行運動。
1994年之後，斯託達特利用多種不同的輪烷製造出大量相對成熟的分子機器，包括一臺「電梯」，其上升高度可達到0.7納米左右；一種人造肌肉，這種用輪烷構成的「分子肌肉」成功地彎折了一片很薄的黃金薄片；以及一種分子晶片，能儲存20000位元組數據。
第三步是設計分子馬達，費林加成為第一個衝過終點的科學家。1999年他研製出世界上第一個分子馬達，並成功通過機械作用讓一個分子馬達的葉片沿著一個方向持續螺旋轉動。在這個基礎上，他成功讓一個玻璃圓筒開始旋轉。要知道，這是一個比分子馬達大上1萬倍的圓筒。
2011年，費林加團隊製作了一個納米尺度的「小車」，同汽車一樣，它也有底盤，有四個車輪，通過分子馬達車輪旋轉向前行駛。至此，他將分子由穩態變為能夠運動的狀態，並初步實現控制。
「如今，上述三位科學家開拓的分子機器研究，已經形成了一個新興的科研領域，涉及化學、物理學、醫學和材料學等學科交叉，全世界眾多科研人員正在為分子機器的實用化而努力。」於海濤表示。
「最小機器」使用之路尚遠
它們能像汽車那樣按指定方向移動，能像螞蟻那樣彎折並搬動比自己大若干倍的東西，甚至能像流水線機器人那樣把東西挪來挪去……目前，包括三位獲獎科學家在內的多個團隊已製造出用光、電、化學能等驅動的分子馬達。
然而，這些微觀世界裡的生產力從上世紀90年代開始嶄露頭角，目前還僅限於實驗室展示，至今沒有真正走進過現實世界。
科學家也發愁這種「最小的機器」到底能怎麼用。「人工設計的分子馬達還只具有初級的、簡單的結構和功能。」甚至連研製出分子馬達的費林加也曾表示，「我們已製造出五六十種不同的馬達，我現在更關心的是怎麼使用它們，而不是再造出一種新的馬達來。」
「目前的分子機器還只能模擬一些比較簡單的運動，其實際應用還沒有達到期待的水平。」於海濤打比方說，三位科學家解決了分子機器中基本結構單元的問題，這就像是發明了活塞、齒輪等基本零件，但是人們日後把這些零件組裝起來，並形成功能完整的機器，實現不同功能，還有很長的路要走。
「現在，這個領域到了一個關鍵的節點：如何在現有分子機器上進行有機組合,使其可以互相搭配運行，並產生宏觀可見的效應，而不只是繼續探索製造新的分子馬達。」於海濤指出，目前，製造分子機器在分子設計及合成、實現分子機器多位點運動或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。
「當前絕大多數分子機器研究集中在溶液中，將分子機器與外界整合是實現其對外部環境做功的重要途徑，這可能也是分子機器由基礎研究走向實際應用需要解決的問題之一。」於海濤補充道。
事實上，由於分子機器距離應用尚遠，此次諾獎的頒發，多少有點出乎學界預料：「沒想到，諾貝爾獎給得那麼早。」
而根據諾貝爾頒獎委員會解讀，目前分子機器屬於基礎性研究，比如分子馬達，它現在所處階段相當於19世紀30年代的電子馬達。當時研究人員的想法還處於實驗室階段，從未想到這些東西終將導致電氣火車、洗衣機、風扇及食品加工機的產生，但後來卻在這些領域大顯身手，並改變了世界。
「分子馬達走的道路相對於過去的電子馬達將大大縮短。」對於分子機器的未來，於海濤則較為樂觀：由於化學、物理、材料等各學科的融合以及信息的快速傳遞，人類也許將會用更短的時間使這項技術應用起來。
埋下顛覆未來的因子
「雖然分子機器尚處在初期階段，但是三位科學家的開創性工作已經埋下了顛覆未來的因子。」於海濤認為，就像諾貝爾頒獎委員會在聲明中所說的：「化學因此踏入了一個全新世界。」
「分子機器研究，使科學家對分子運動的操控達到了前所未有的新高度。」於海濤解釋說，分子機器有可能實現宏觀世界機器無法實現的功能，一旦可以通過化學方法實現對分子機器的精確構建，將可能引來材料和信息技術的新一輪大發展。未來，將會有更多科學家將分子機器應用於醫療、能源和工業等領域，可能帶來超越世人想像力的改變。
比如，分子機器有望在醫療領域大展身手。「希望有一天，這些分子機器可以在人體內工作，比如利用納米機器人手術和局部給藥。」於海濤描繪道，這些分子機器就像一個一個「外科醫生」，它們進入你縱橫交錯的血管網絡，挨個搜索癌細胞，然後會拿出「小刀」，把不好的地方，比如腫瘤部位切除。分子機器還能變身智能載藥系統，搜尋到每一個癌細胞，並精確釋放藥物直接殺死腫瘤細胞。
分子機器的穿梭運動，還可能用來編碼，這樣科學家就有可能發展出分子計算機。「這類分子計算機的發展將擺脫摩爾定律的限制，為超高密度的信息存儲提供新的可能性。」於海濤表示，由於分子尺度可達到0.1納米，而分子穿梭運動的兩個狀態可以用來二進位編碼，就可以實現超高密度存儲。
科學家已在生命活動中發現分子馬達的存在，但由於機制太過複雜，難以研究清楚。「如果化學家提供了一個精準而簡單的模型，很多生命過程將可進行人工模擬，比如三磷酸腺苷酶即是一類生物分子機器，依靠高能分子三磷酸腺苷為細胞內化學反應提供能量——這也將為生命科學研究帶來新的飛躍。」於海濤說。
如今，我們仍然需要不斷開發分子機器令人興奮的新用途和描繪其廣闊前景。正如費林加所說，「也許化學的力量不僅僅是理解，還有創造，創造那些從未存在過的分子和物質。」