緊隨生理學獎和物理學獎之后，北京時間10月5日下午5點45分，2016年諾貝爾化學獎也終于揭曉。三位科學家——讓-皮埃爾•紹瓦熱、弗雷澤•斯托達特爵士和伯納德•L•費林加獲獎，領(lǐng)域是“分子機器的設(shè)計與合成”。
“近幾年，諾貝爾化學獎都快變成‘理綜獎’了，很高興今年終于頒給了純化學。”中科院理化所研究員叢歡笑道。他告訴《中國科學報》記者，與前幾年獲得諾貝爾獎的光纖通信、青蒿素、藍光LED等不同，分子機器與人們的日常生活聯(lián)系沒有那么緊密，更接近基礎(chǔ)研究。
學科：小分子，大領(lǐng)域
在叢歡眼里，分子機器是一個“很好玩”的領(lǐng)域。分子肌肉、分子電梯、分子馬達……這些聽起來就頗具趣味的概念，都是這個領(lǐng)域的代表工作。
諾貝爾化學獎委員會主席薩拉•林瑟在新聞發(fā)布會上表示，半個多世紀以來，將機器縮小到納米尺度成為科學家的夢想。這需要開發(fā)出新的化學策略，制作出連鎖的環(huán)形分子，并找到有效的能源轉(zhuǎn)換方式——而所有這些東西僅有一根頭發(fā)絲的千分之一大小。
紹瓦熱及其團隊在1983年取得了第一個突破：開發(fā)出相互連接的分子環(huán)。接下來的幾年中，三位獲獎?wù)咭来卧O(shè)計得到了分子梭、可控旋轉(zhuǎn)的互聯(lián)環(huán)、分子轉(zhuǎn)子等。
基于費林加的光分子馬達思想，科學家們還創(chuàng)造出一輛四輪驅(qū)動的納米分子車。在“馬達”的驅(qū)動下，這輛汽車能夠緩緩地定向運動。
總而言之，“分子機器”是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。”中科院化學所研究員陳傳峰表示，“通過分子和分子之間非共價相互作用力形成的結(jié)構(gòu)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。”
如今，上述三位科學家開拓的“分子機器”研究，已經(jīng)形成了一個很大的領(lǐng)域，涉及有機合成、超分子化學、分析化學等學科交叉。而全世界眾多科研人員正在為此奮斗。
陳傳峰介紹，1987年，美法三位科學家因在超分子化學的產(chǎn)生與發(fā)展方面做出的杰出貢獻，而獲得當年的諾貝爾化學獎，近30年后的今天，歐美三位科學家又因與超分子化學直接相關(guān)的分子機器研究，榮獲諾貝爾化學獎，這可以說是為（有機）超分子化學研究帶來了新的契機，是這一學科的“第二春”。
前景：一切皆有可能
據(jù)叢歡介紹，分子機器技術(shù)可以用在分子開關(guān)，傳感器，催化等領(lǐng)域。但目前為止，其實際應(yīng)用還沒有達到期待的水平。他打比方說：“三位科學家解決了分子機器中基本結(jié)構(gòu)單元的問題。這就像是發(fā)明了活塞、齒輪等基本零件，但是人們?nèi)蘸蟀堰@些零件組裝起來，并形成功能完整的機器，還有很長的路要走。”
“當然，現(xiàn)在為時尚早，但一旦你能控制這種運動，一切皆有可能。”獲獎?wù)咧毁M林加說，“可以想象，醫(yī)生能將這些微型機器人注入你的血管，然后尋找癌細胞或釋放藥物。”他將該發(fā)現(xiàn)與萊特兄弟的創(chuàng)舉相比較：萊特兄弟剛發(fā)明飛機時，也無法想象今天的航空事業(yè)如此繁榮。
復(fù)旦大學化學系教授黎占亭評價道，作為超分子化學一個很重要的分支，三位科學家的開創(chuàng)性工作使得化學家在納米層次上控制單分子和多分子的運動達到了前所未有的高度。傳統(tǒng)上，化學研究強調(diào)分子本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，但是通過分子馬達的研究，化學家認識到，分子間和分子內(nèi)的相互作用，也可以極大地改變它們的微觀和宏觀性質(zhì)，而對分子運動本身的控制，為未來設(shè)計新的智能分子材料及分子計算機等都提供了新的原理和策略。
國內(nèi)：起步晚、發(fā)展快
黎占亭指出，這三位獲獎?wù)吲c中國化學界的學術(shù)交流是很多的，他們都曾多次訪問中科院上海有機所、復(fù)旦大學等科研機構(gòu)和高校。2014年在上海舉辦的國際大環(huán)和超分子化學學術(shù)會議上，斯托達特爵士是大會報告人之一，他還是天津大學中組部外籍千人，有獨立的實驗室開展研究。
斯托達特和費林加都培養(yǎng)了很多中國留學生。在斯托達特的課題組里，中國學生的數(shù)量甚至達到了四分之一，在他最近十年發(fā)表的論文中，中國留學生做出了很大貢獻。斯托達特曾表示，自己非常喜歡中國學生，認為他們踏實、努力，并且天賦極高。
目前，這些留學生不少已經(jīng)學成回國，在國內(nèi)著名高校和研究所任教授，獲得中組部青年人才等，并開始做出創(chuàng)新性工作。
據(jù)專家介紹，在我國，分子機器領(lǐng)域的研究起步相對較晚。但黎占亭認為，過去十年來，我國在這一領(lǐng)域的進步迅速。僅上海地區(qū)，華東理工大學、復(fù)旦大學及上海有機所等單位，就都做出了具有世界水平的研究成果。特別是近年來國家加大基礎(chǔ)研究投入，加快青年杰出人才的引進，他相信未來會有越來越多原創(chuàng)性的工作在中國完成。
陳傳峰也表示，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國有不少研究小組正在開展前沿的超分子化學研究，并取得了諸多進展。今年8月，全國第十八屆大環(huán)化學暨第十屆超分子化學學術(shù)討論會剛剛落下帷幕。據(jù)悉，這一會議是國內(nèi)該領(lǐng)域主要學術(shù)交流平臺之一，每屆會議都吸引全國超分子化學領(lǐng)域的學者積極參與。
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