深度解读2016年诺贝尔化学奖：分子机器的设计与合成获奖 深度解读2016诺贝尔化学奖：分子马达 2016 NOBEL PRIZE IN CHEMISTRY Jean-Pierre Sauvage Sir I.Fraser Stoddart Bernard L.Feringa for the design and synthesis of molrelar machines p 2016年诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔·绍瓦热(Jean-Pierre Sauvage),J·弗雷泽·斯托达特(J.Fraser Stoddart)和伯纳 德·L·费林加(Bernard L.Feringa),因其“发明了行动可控、在 给予能源后可执行任务的分子机器”。信息技术的发展带来了小型化 的技术革命，今年的诺贝尔化学奖工作把化学研究带入了一个全新的 维度。 1983年，让-皮埃尔·绍瓦热迈出了通往分子机器的第一步，他 将两个环状分子连成链状，并将其命名为索烃。随后的1991年，斯 托达特成功制备了轮烷，其中一个分子为链，一个分子为环，环分子 可以绕链转动。在此基础上，科学家成功研制了分子起重机、分子肌 肉和分子芯片。费林加则是发展分子发动机的第一人。1999年，他 制备了一种能够持续朝一个方向转动的分子发动机，用它转动了比它
深度解读 2016 年诺贝尔化学奖：分子机器的设计与合成获奖 深度解读 2016 诺贝尔化学奖：分子马达 2016 年诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔·绍瓦热（Jean-Pierre Sauvage），J·弗雷泽·斯托达特（J. Fraser Stoddart）和伯纳 德·L·费林加（Bernard L. Feringa），因其“发明了行动可控、在 给予能源后可执行任务的分子机器”。信息技术的发展带来了小型化 的技术革命，今年的诺贝尔化学奖工作把化学研究带入了一个全新的 维度。 1983 年，让-皮埃尔·绍瓦热迈出了通往分子机器的第一步，他 将两个环状分子连成链状，并将其命名为索烃。随后的 1991 年，斯 托达特成功制备了轮烷，其中一个分子为链，一个分子为环，环分子 可以绕链转动。在此基础上，科学家成功研制了分子起重机、分子肌 肉和分子芯片。费林加则是发展分子发动机的第一人。1999 年，他 制备了一种能够持续朝一个方向转动的分子发动机，用它转动了比它
大一万倍的玻璃杯，并且设计了一个微型车。 本届诺贝尔奖获奖者带化学走出了僵局，并用给予能量的方式控 制了分子的运动。从发展的眼光看，分子机器之于我们正如电动机之 于19世纪的科学界先辈，那时他们并不知道这些线圈和磁石会化为 电车、洗衣机、电风扇等等走进千家万户。分子机器很有可能会在未 来的新材料、传感器、储能系统等领域大显身手。 2015年12月号的《环球科学》中的《分子马达与纳米火箭》一文就 着重介绍了斯托达特和费林加的工作，斯托达特在采访中说：“这一 领域的研究已经走过了漫长的道路，现在是时候向外界证明它们是有 用的了。”而获得2016年的诺贝尔化学奖，对于分子机器这个前景 无限的新兴领域，无疑是最好的鼓励。 一个机器人沿着预定轨道缓慢行进，时不时停下来伸出手臂收集 一下零件，并把收集起来的零件放置在背后一个特别设计的结构里。 一处收集完成后，机器人继续向前行进，重复这一过程一一直到按照 既定设计把一连串的部件全部收集完毕。 如果不告诉你这条流水线其实只有几纳米长，你可能会以为上面描述 的是一个高科技工厂中的场景。而在这条纳米流水线中，零件是氨基 酸，多个零件则串成了一小段多肽。完成这一系列任务的机器人由英 国曼彻斯特大学的化学家戴维·利(David Leigh)所设计，这也是 迄今为止在分子尺度上设计出的最复杂的机器人之一。 这个机器人并不孤单，因为它的“父亲”戴维·利只是逐渐壮大 的“分子建筑师”大军中的一份子。他们希望通过化学手段去模拟活
大一万倍的玻璃杯，并且设计了一个微型车。 本届诺贝尔奖获奖者带化学走出了僵局，并用给予能量的方式控 制了分子的运动。从发展的眼光看，分子机器之于我们正如电动机之 于 19 世纪的科学界先辈，那时他们并不知道这些线圈和磁石会化为 电车、洗衣机、电风扇等等走进千家万户。分子机器很有可能会在未 来的新材料、传感器、储能系统等领域大显身手。 2015 年 12 月号的《环球科学》中的《分子马达与纳米火箭》一文就 着重介绍了斯托达特和费林加的工作，斯托达特在采访中说： “这一 领域的研究已经走过了漫长的道路，现在是时候向外界证明它们是有 用的了。”而获得 2016 年的诺贝尔化学奖，对于分子机器这个前景 无限的新兴领域，无疑是最好的鼓励。 一个机器人沿着预定轨道缓慢行进，时不时停下来伸出手臂收集 一下零件，并把收集起来的零件放置在背后一个特别设计的结构里。 一处收集完成后，机器人继续向前行进，重复这一过程——直到按照 既定设计把一连串的部件全部收集完毕。 如果不告诉你这条流水线其实只有几纳米长，你可能会以为上面描述 的是一个高科技工厂中的场景。而在这条纳米流水线中，零件是氨基 酸，多个零件则串成了一小段多肽。完成这一系列任务的机器人由英 国曼彻斯特大学的化学家戴维·利（David Leigh）所设计，这也是 迄今为止在分子尺度上设计出的最复杂的机器人之一。 这个机器人并不孤单，因为它的“父亲”戴维·利只是逐渐壮大 的“分子建筑师”大军中的一份子。他们希望通过化学手段去模拟活
细胞中可像机器一般发挥作用的生物分子，比如沿着细胞内微观结构 移动的驱动蛋白，或是通过读取遗传密码合成蛋白质的核糖体。在过 去的25年里，研究人员已经设计并制造出了大量可以像乐高积木一 样在纳米尺度上完成组装的分子机器部件，包括分子开关、分子棘轮、 分子马达、分子连杆、分子环和分子推进器等。由于分析化学工具的 不断改善以及构建有机大分子的相关反应的日渐成熟，这一研究领域 得到了迅猛发展。 然而，这一领域目前的发展到达了一个转折点。“我们已经制造 出了五六十种不同的（分子）马达，”荷兰格罗宁根大学的化学家 本·费林加(Ben Feringa,2016年诺贝尔化学奖得主)说道，“我 现在更关心的是怎么使用它们，而不是再造出一种新的马达来。”这 一迹象在今年6月份的美国戈登会议(US Gordon conferences)上 就已清楚地出现。这一在学术界有着举足轻重地位的会议今年首次将 “分子机器及其潜在应用”作为重点议题，标志着该领域的研究进入 新的纪元一一本次会议的组织者、以色列魏茨曼科学研究所的化学家 拉法尔·克莱因(Rafal Klajn)如是说。戴维·利也说：“在l5年 内，分子机器领域的研究将成为化学和材料设计领域的核心部分。” 要达到戴维·利所期望的目标并非易事。首先，研究人员得知道 如何让数以亿计的分子机器协同工作，产生可观测到的宏观效果，除 此之外，研究人员还需要让这些分子机器易于操控，保证它们可以在 不间断的情况下完成无数次操作。 这也就是为什么该领域的众多专家并不期望分子机器的首批应用会
细胞中可像机器一般发挥作用的生物分子，比如沿着细胞内微观结构 移动的驱动蛋白，或是通过读取遗传密码合成蛋白质的核糖体。在过 去的 25 年里，研究人员已经设计并制造出了大量可以像乐高积木一 样在纳米尺度上完成组装的分子机器部件，包括分子开关、分子棘轮、 分子马达、分子连杆、分子环和分子推进器等。由于分析化学工具的 不断改善以及构建有机大分子的相关反应的日渐成熟，这一研究领域 得到了迅猛发展。 然而，这一领域目前的发展到达了一个转折点。“我们已经制造 出了五六十种不同的（分子）马达，”荷兰格罗宁根大学的化学家 本·费林加（Ben Feringa，2016 年诺贝尔化学奖得主）说道，“我 现在更关心的是怎么使用它们，而不是再造出一种新的马达来。”这 一迹象在今年 6 月份的美国戈登会议（US Gordon conferences）上 就已清楚地出现。这一在学术界有着举足轻重地位的会议今年首次将 “分子机器及其潜在应用”作为重点议题，标志着该领域的研究进入 新的纪元——本次会议的组织者、以色列魏茨曼科学研究所的化学家 拉法尔·克莱因（Rafal Klajn）如是说。戴维·利也说： “在 15 年 内，分子机器领域的研究将成为化学和材料设计领域的核心部分。” 要达到戴维·利所期望的目标并非易事。首先，研究人员得知道 如何让数以亿计的分子机器协同工作，产生可观测到的宏观效果，除 此之外，研究人员还需要让这些分子机器易于操控，保证它们可以在 不间断的情况下完成无数次操作。 这也就是为什么该领域的众多专家并不期望分子机器的首批应用会
涉及到多么复杂的结构。但他们认为，组成这些分子机器的基本部件 将会在众多的科学领域中得到应用：比如用于靶向释药的光敏开关， 或是可以根据光信号进行伸缩运动或储能的智能材料，这意味着分子 建筑师们需要与其他可能从“分子零件”中受益的领域展开合作。克 莱因说：“我们必须让这些合作伙伴们相信，分子零件绝对可以给 他们带来惊喜。” 分子穿梭机 我们现在看到的很多分子机器，其原型都可以追溯到1991年由 化学家弗雷泽·斯托达特(Fraser Stoddart,2016年诺贝尔化学奖 得主)所设计的一个略显粗糙的分子器件。这个分子体系也就是今天 我们常常会听到的“轮烷”(rotaxane),由一个环状分子和一个穿 过此环状分子空腔的链状分子共同组成。链状分子的两端在结构上具 有较大的空间位阻，可以防止套在其中的环状分子滑脱，在靠近两端 的地方还含有可与环状分子发生键连作用的化学基团。斯托达特在研 究中发现，环状分子可以在链状分子两端的化学位点之间来回移动， 由此他设计出了第一个分子级的短程穿梭装置。 1994年，斯托达特改进了他的设计，让链状分子的两端分别带 有不同的结合位点，这一新的分子穿梭机在水溶液中试验成功。改变 溶液的酸碱度，可以让环状分子在位点间实现可逆的来回移动，使得 该“穿梭机”在某种程度上变成了一种可逆型开关。这种可逆型开关 在未来不仅可用于制造热敏、光敏或是感受特定化学物质的传感器， 还可用做体内纳米级药物载体的开关，在正确的时间和地点释放药物
涉及到多么复杂的结构。但他们认为，组成这些分子机器的基本部件 将会在众多的科学领域中得到应用：比如用于靶向释药的光敏开关， 或是可以根据光信号进行伸缩运动或储能的智能材料，这意味着分子 建筑师们需要与其他可能从“分子零件”中受益的领域展开合作。克 莱因说： “我们必须让这些合作伙伴们相信， 分子零件 绝对可以给 他们带来惊喜。” 分子穿梭机 我们现在看到的很多分子机器，其原型都可以追溯到 1991 年由 化学家弗雷泽·斯托达特（Fraser Stoddart，2016 年诺贝尔化学奖 得主）所设计的一个略显粗糙的分子器件。这个分子体系也就是今天 我们常常会听到的“轮烷”（rotaxane），由一个环状分子和一个穿 过此环状分子空腔的链状分子共同组成。链状分子的两端在结构上具 有较大的空间位阻，可以防止套在其中的环状分子滑脱，在靠近两端 的地方还含有可与环状分子发生键连作用的化学基团。斯托达特在研 究中发现，环状分子可以在链状分子两端的化学位点之间来回移动， 由此他设计出了第一个分子级的短程穿梭装置。 1994 年，斯托达特改进了他的设计，让链状分子的两端分别带 有不同的结合位点，这一新的分子穿梭机在水溶液中试验成功。改变 溶液的酸碱度，可以让环状分子在位点间实现可逆的来回移动，使得 该“穿梭机”在某种程度上变成了一种可逆型开关。这种可逆型开关 在未来不仅可用于制造热敏、光敏或是感受特定化学物质的传感器， 还可用做体内纳米级药物载体的开关，在正确的时间和地点释放药物
纳米机器 基于化学原理而非牛顿力学的分子机器，将应用于药物释放、纳米级计算机存储等多个领城。 分子开关 一个套在链状分子轴上的环状分 子，可以根据溶液的酸碱度在两 个结合位点间来回移动。 分子轮 健连位点 可移动 分子 改变H值 承 移向另一个 位点 纳米车 扫描隧道显微镜(STM)探针（图 中未绘出)上的电子跃迁到分子 轮上，促使该分子装置的构型发 生变化.分子轮转动，使车辆向 前。 斯托达特的分子开关具有两个非常重要的特质，这也正是分子机 器的两大特点：第一，环状分子与链状分子在位点结合的相互作用并 不是高强度的共价键，而是带正电区域与带负电区域之间的静电吸引 作用。这种作用相对较弱，换句话说，环状分子与链状分子之间的结 合可以随时被打破与重建，就像双链DNA间的氢键一样。第二，斯托 达特设计的分子“穿梭机”并不需要外在能量就能完成往复运动：装 置运行的驱动力来源于溶液中分子间的相互碰撞，也就是常说的布朗 运动。 在这之后，五花八门的分子开关层出不穷。有的是基于光或温度 的变化，有的则是通过结合溶液中特定的离子或分子来实现开/关， 而后者的原理与细胞膜上的离子通道响应外界化学信号来进行开/闭
斯托达特的分子开关具有两个非常重要的特质，这也正是分子机 器的两大特点：第一，环状分子与链状分子在位点结合的相互作用并 不是高强度的共价键，而是带正电区域与带负电区域之间的静电吸引 作用。这种作用相对较弱，换句话说，环状分子与链状分子之间的结 合可以随时被打破与重建，就像双链 DNA 间的氢键一样。第二，斯托 达特设计的分子“穿梭机”并不需要外在能量就能完成往复运动：装 置运行的驱动力来源于溶液中分子间的相互碰撞，也就是常说的布朗 运动。 在这之后，五花八门的分子开关层出不穷。有的是基于光或温度 的变化，有的则是通过结合溶液中特定的离子或分子来实现开/关， 而后者的原理与细胞膜上的离子通道响应外界化学信号来进行开/闭