【科技前沿】解說：三位科學(xué)家獲2016諾貝爾化學(xué)獎
斯德哥爾摩時間10月5日11時45分，北京時間17時45分，2016年諾貝爾化學(xué)獎授予了3位科學(xué)家：法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索瓦日教授、美國西北大學(xué)的弗雷澤·斯托達特爵士以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費林加教授，獲獎理由是“分子機器的設(shè)計與合成”。很多人之前都猜測這次諾貝爾化學(xué)獎多半會頒給生物化學(xué)，沒想到難得地頒給了純化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，盡管“分子機器”并不是大熱門。
什么是分子機器？
據(jù)復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系黎占亭教授介紹，簡單來說，分子機器是在分子水平上，由一個分子或幾個分子，通過分子的運動，實現(xiàn)宏觀機器的運動。
黎占亭介紹，第一位獲獎?wù)咦?/span>-皮埃爾·索瓦日教授的導(dǎo)師曾于1987年因“超分子化學(xué)”獲得諾貝爾化學(xué)獎。此次讓-皮埃爾·索瓦日教授的貢獻在于第一個在分子機器研發(fā)領(lǐng)域開展工作。1983年，他通過配位作用，構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)，成功地將兩個環(huán)形分子連接起來，形成了一根鏈。一架機器要能執(zhí)行任務(wù)，其各個組成部分之間必須具有相對運動的能力，這兩個相互扣合的環(huán)形分子正好符合這個要求。
華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授、中科院院士田禾介紹，1991年，美國化學(xué)家斯托達特第一個提出“分子梭”概念，即在一個剛性棒狀分子上套一個分子大環(huán)——輪烷，分子大環(huán)能在分子棒上來回穿梭。“在給予能量后，分子機器的各個模塊就會做相對運動，像我們熟悉的機器那樣”。
第三位獲獎?wù)?/span>伯納德·L·費林加教授則是研究出分子馬達的第一人，在光控單分子馬達領(lǐng)域有開創(chuàng)性的工作。田禾介紹，費林加合成的是“分子馬達”，它有一個固定基座，位于基座上部的分子會做360度定向轉(zhuǎn)動，與宏觀世界的機械馬達很像。1999年，他研究出分子旋轉(zhuǎn)葉片。利用分子馬達，他讓一個比馬達大上1萬倍的玻璃杯成功旋轉(zhuǎn)。
“今年獲得諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家研制出了三種分子機器，其狀態(tài)各不相同。他們的開創(chuàng)性工作讓人類認識到，可用分子為材料，設(shè)計、建造微觀世界的機器?！碧锖陶f。
分子機器有何意義和應(yīng)用價值？
田禾說，生物體內(nèi)的很多活動，其實都有賴于分子機器的運轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家研究細胞分裂、DNA復(fù)制、物質(zhì)運輸、肌肉收縮等生命活動，追溯到分子層面后，發(fā)現(xiàn)它們都是眾多分子機器做功的結(jié)果。因此，化學(xué)家可以和生命科學(xué)家合作，通過設(shè)計、合成分子機器來模擬各種生命現(xiàn)象。
分子機器還能用來存儲信息，構(gòu)建神奇的“分子計算機”。2007年，斯托達特帶領(lǐng)團隊研制出一種能超高密度存儲信息的分子芯片，其存儲密度達到了2020年硅基芯片的水平。華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授曲大輝解釋說，硅基芯片的信息存儲密度遵循摩爾定律（在價格不變情況下，集成電路上可容納的元器件數(shù)目和性能，每隔18—24個月會提高1倍），但這個定律會遇到發(fā)展瓶頸，而分子芯片能實現(xiàn)分子尺寸上的信息存儲，所以不遵循摩爾定律，在存儲密度上能大幅超越硅基芯片。
諾貝爾獎評審委員會指出，目前，分子機器處在概念應(yīng)用階段，盡管“分子機器”目前還沒有實際的應(yīng)用，未來它會怎樣改變?nèi)祟惖纳?？?jù)介紹，它有望用于更精準的疾病檢測、藥物輸送，超高密度信息存儲、能量存儲，新材料、傳感器等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用前景不可限量。
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