每年諾貝爾獎(jiǎng)都有些冷門，今年也不例外：民謠歌手鮑勃·迪倫“跨界”奪得文學(xué)獎(jiǎng)；而在化學(xué)獎(jiǎng)方面，三位從事基礎(chǔ)化學(xué)研究的科學(xué)家因“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與合成”而獲獎(jiǎng)，多少出乎學(xué)界預(yù)料。

今年化學(xué)獎(jiǎng)的三位獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e為：來自法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓—皮埃爾·索瓦日、來自美國西北大學(xué)的J·弗雷澤·斯托達(dá)特爵士以及來自荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費(fèi)林加。

不少學(xué)者評(píng)論，“分子機(jī)器”屬于比較前沿、基礎(chǔ)的研究，距離應(yīng)用尚遠(yuǎn)。似乎不符合諾獎(jiǎng)偏重應(yīng)用的“傳統(tǒng)”。不過，這項(xiàng)研究獲諾獎(jiǎng)青睞，無疑是對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的認(rèn)可，這對(duì)于從事基礎(chǔ)研究的科研人員來說，是激勵(lì)與鼓舞。

成果如何 已制出分子電梯分子纜車等

何為分子機(jī)器？曾跟隨斯托達(dá)特在西北大學(xué)讀博士的浙江大學(xué)化學(xué)系研究員、博士生導(dǎo)師李昊這樣描述：簡單來說，就是生物體內(nèi)那些像機(jī)器一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的東西，可用燒瓶、試管等儀器，用基本的非生命體化合物合成出來，并用這些非生命體的分子機(jī)器來模擬生命體的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。

人類能用自己的“巨手”造出微小尺度的機(jī)器嗎？科學(xué)家有兩種思路：一種是通過制造比人類手更小的機(jī)器，由它再制造更小的機(jī)器。

另一種是曾經(jīng)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼的構(gòu)想：在例如硅表面上，由下而上地噴射一層又一層原子，之后將一些層溶解，從而得到可使用電流來控制的移動(dòng)部件。

事實(shí)上，早在費(fèi)曼提出其構(gòu)想前，科學(xué)家們就嘗試用多種方式把分子連接起來，以實(shí)現(xiàn)某種功能。獲得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家索瓦日，在1983年成功地將兩個(gè)環(huán)狀分子連接在一起，形成了一條特殊的“分子鎖鏈”，學(xué)名“索烴”。

索瓦日的辦法是“輔助連接體法”：這種方法借用一個(gè)一價(jià)銅離子，將一個(gè)半圓形分子和環(huán)狀分子吸引在一起，再將兩個(gè)半圓形分子“焊死”成一個(gè)環(huán)，從而達(dá)成“一環(huán)套一環(huán)”的效果。至今，科學(xué)家們已經(jīng)制造了類似奧運(yùn)五環(huán)和央視臺(tái)標(biāo)等多種多樣的“分子鎖鏈”。

更進(jìn)一步，上世紀(jì)90年代，獲得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家斯托達(dá)特設(shè)計(jì)出了“輪烷”：簡單來說，就是將一個(gè)分子環(huán)套在一個(gè)長條狀的啞鈴狀分子上，在這條軸的兩端設(shè)置有鍵連接點(diǎn)，通過改變環(huán)境的PH值，就能控制分子環(huán)在連接點(diǎn)來回移動(dòng)。而除了用PH值控制開關(guān)外，隨后科學(xué)家們又研究出可用光、熱乃至某些特定化學(xué)物質(zhì)控制的開關(guān)。

在超分子領(lǐng)域頗有建樹的化學(xué)家——中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師陳傳峰認(rèn)為，這兩位科學(xué)家開創(chuàng)了利用互鎖型有機(jī)超分子組裝體構(gòu)筑分子機(jī)器的研究方向。“（索瓦日的研究）打開了基于互鎖型有機(jī)超分子組裝體構(gòu)筑分子機(jī)器研究的大門；斯托達(dá)特利用他們自己發(fā)展的環(huán)蕃類大環(huán)主體，首次通過給體與受體之間的相互作用制備了輪烷型超分子組裝體，為分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”陳傳峰說。

他介紹，此后，科學(xué)家基于互鎖型有機(jī)超分子組裝體，設(shè)計(jì)合成了多類分子機(jī)器，例如：分子電梯、分子肌肉、分子纜車和分子滑輪等。

面臨挑戰(zhàn) 科學(xué)家發(fā)愁“最小機(jī)械”怎么用

在索瓦日等科學(xué)家的研究基礎(chǔ)上，費(fèi)林加首先研究出了能夠做功的分子馬達(dá)。在1999年，他制作了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，能夠持續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

“不同于索瓦日和斯托達(dá)特，費(fèi)林加的分子機(jī)器主要利用具有擁擠結(jié)構(gòu)的烯烴類有機(jī)分子，巧妙地設(shè)計(jì)合成了一類可重復(fù)進(jìn)行單向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)。這種分子馬達(dá)在光和熱的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可驅(qū)動(dòng)比其自身大數(shù)千倍的物體運(yùn)動(dòng)。”陳傳峰解讀道。

頗為有趣的是，2011年，費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)納米尺度的“小車”，同汽車一樣，它也有底盤，有四個(gè)車輪，通過分子馬達(dá)車輪旋轉(zhuǎn)向前行駛。當(dāng)然，從宏觀視角來看，這臺(tái)“車”如果與烏龜賽跑的話，烏龜?shù)乃俣瓤烧f是風(fēng)馳電掣，因?yàn)檫@臺(tái)車的速度僅為每小時(shí)幾納米。

所謂馬達(dá)，與鎖鏈、開關(guān)、電梯等最大的不同在于，它能夠做功，也即能夠進(jìn)行能量輸出，如人體的肌肉纖維，是一種比“分子車”等復(fù)雜千百倍的分子馬達(dá)。目前，包括三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家在內(nèi)的多個(gè)團(tuán)隊(duì)已制造出用光、電、化學(xué)能等驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)，但就像費(fèi)林加所說的，“人工設(shè)計(jì)的分子馬達(dá)還只具有初級(jí)的、簡單的結(jié)構(gòu)和功能”。

對(duì)此，科學(xué)家也發(fā)愁這種“最小的機(jī)械”到底能怎么用，甚至連研制出分子馬達(dá)的費(fèi)林加也曾表示，“我們已制造出五六十種不同的馬達(dá)，我現(xiàn)在更關(guān)心的是怎么使用它們，而不是再造出一種新的馬達(dá)來。”

不過，對(duì)于分子馬達(dá)，諾獎(jiǎng)委員會(huì)給出了這樣的評(píng)價(jià)：“從歷史發(fā)展來看，分子馬達(dá)和1830年代的電動(dòng)機(jī)的地位相似，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們展示了各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子，卻并不知道這些東西最終將導(dǎo)致電車、洗衣機(jī)、風(fēng)扇以及食品加工機(jī)的產(chǎn)生。”

為使分子機(jī)器更好地發(fā)展以接近實(shí)際應(yīng)用，陳傳峰認(rèn)為，至少可從以下幾方面來繼續(xù)研究：“首先是分子機(jī)器理論的突破，比如分子機(jī)器的設(shè)計(jì)方法、原理以及確定分子機(jī)器做功參數(shù)。其次是能夠做功和響應(yīng)刺激分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，如何利用目前已積累的功能基團(tuán)來構(gòu)造復(fù)雜的、多功能的精巧分子機(jī)器，仍是一個(gè)挑戰(zhàn)與難題。

另外，陳傳峰指出，“當(dāng)前絕大多數(shù)分子機(jī)器研究集中在溶液中，將分子機(jī)器與外界整合是實(shí)現(xiàn)其對(duì)外部環(huán)境做功的重要途徑，這可能也是分子機(jī)器由基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用需要解決的問題之一。”

陳傳峰還告訴記者，“今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)由相對(duì)基礎(chǔ)的‘純化學(xué)’領(lǐng)域獲得，無疑是對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的認(rèn)可，這對(duì)于從事基礎(chǔ)研究的科研人員來講是個(gè)激勵(lì)與鼓舞。”

中國起步較晚但成果已不少

“2006年，‘分子機(jī)器’項(xiàng)目作為一項(xiàng)前沿研究入選了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）。”陳傳峰介紹，我國在分子機(jī)器領(lǐng)域的研究起步較晚，但也逐漸形成了一些具有重要影響的研究團(tuán)隊(duì)，在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)合成等方面取得了不少具有特色的創(chuàng)新成果。

也有評(píng)論認(rèn)為，包括陳傳峰團(tuán)隊(duì)在內(nèi)，在“分子機(jī)器”相關(guān)領(lǐng)域，我國多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)也是“世界級(jí)”的。

另外，本次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主之一斯托達(dá)特，除了在美國西北大學(xué)有教職外，同時(shí)也以兼職教授身份受聘于天津大學(xué)。據(jù)天津大學(xué)新聞網(wǎng)介紹，2014年7月，斯托達(dá)特受聘成為天津大學(xué)藥學(xué)院教授，并帶來其科研團(tuán)隊(duì)的三位核心成員在天津大學(xué)全職工作。他每年則在天津大學(xué)工作兩個(gè)月，面向本碩博學(xué)生開設(shè)課程。另兩位獲獎(jiǎng)學(xué)者和國內(nèi)高校、科研人員交流也很頻繁。

談及這次諾獎(jiǎng)結(jié)果，陳傳峰表示，分子機(jī)器獲獎(jiǎng)為有機(jī)超分子化學(xué)的研究帶來了新的契機(jī)，是有機(jī)超分子化學(xué)研究的“第二春”。

陳傳峰特別提到，不同于大多數(shù)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目，分子機(jī)器尚是一個(gè)十分“年輕”的研究領(lǐng)域，我們?nèi)耘f可以大有作為。“這次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)結(jié)果，相信會(huì)激勵(lì)更多學(xué)者踏踏實(shí)實(shí)地投身于基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域”。

具體到國內(nèi)，陳傳峰說：“過去一二十年，國家在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也有比較大的投入，硬件設(shè)施逐步完善并達(dá)到了國際先進(jìn)水平，在國內(nèi)進(jìn)行基礎(chǔ)研究的環(huán)境，總體上是良好的。”

“從自身的角度講，熱愛和興趣是做好科研的必備要素。我們不僅需要花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行知識(shí)儲(chǔ)備，去從戰(zhàn)略上把握學(xué)科發(fā)展的重點(diǎn)與難點(diǎn)，甚至于引領(lǐng)學(xué)科的發(fā)展，還需要投入大量的精力在實(shí)驗(yàn)探索上。總之，基礎(chǔ)科研需要我們有熱愛和奉獻(xiàn)精神。”陳傳峰說。（記者 王詩堃 策劃/統(tǒng)籌 李江萍）