分子機器
分子機器
分子機器，指由分子尺度的物質構成、能行使某種加工功能的機器，其構件主要是蛋白質等生物分子。因其尺寸多為納米級，又稱生物納米機器，具有小尺寸、多樣性、自指導、有機組成、自組裝、準確高效、分子柔性、自適應、僅依靠化學能或熱能驅動、分子調劑等其他人造機器難以比擬的性能，因此研究生物納米機器具有重大意義。它可以促進生物學發現，深入認識蛋白質分子機器機制，開發生物分子機器和促進仿生學發展。2016年10月5日讓-彼埃爾·索瓦、J.弗雷澤·斯托達特、伯納德·L·費林加因“設計和合成分子機器”獲得2016諾貝爾化學獎。
分子機器
就像人的生命一樣，人體內的分子可以從食物中獲取能量，進而推動人體的分子系統遠離平衡態，向更高水平的能量狀態發展，這樣人體才有可能利用這些能量推動肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處於化學平衡態，人就會死亡。
2016年諾貝爾獎評選委員會表示，讓－皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加三位科學家發明了“世界上最小的機器”，將化學發展推向了一個新的維度。
分子機器的動力來源主要有化學驅動、電驅動和光碟機動。比如ATP合成酶轉子是由於質子的流動而旋轉，這屬於化學驅動；索烴是由於銅離子電子的得失而行使其功能，屬於電驅動；而分子蠕蟲的“前進”是光照引起了偶氮分子構象的改變引起的，這屬於光碟機動。
分子機器
到了1991年，斯托達特實現了分子機器誕生的第二步，他成功合成了“輪烷”。輪烷是一個或多個環狀分子和一個或多個啞鈴狀的線形分子為軸組成的分子集合。啞鈴狀的線形分子作軸穿過環狀分子的空腔，兩端結合有體積較大分子以防止線形分子滑出，從而形成了穩定的輪烷結構。
基於上述研究成果，斯托達特的研究團隊先後成功實現環狀分子在線形分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開發出一種基於輪烷的計算機晶元，被認為在將來有望顛覆傳統的計算機晶元技術。
費林加則是研發出分子馬達（分子發動機）的第一人。1999年，他研製了一個分子轉子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續旋轉。這個馬達可以讓一個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。2011年，費林加的研究小組在分子馬達的基礎上製造了一款四驅納米汽車，一個分子底盤將4個分子馬達連接在一起作為輪子，當分子馬達旋轉時，納米汽車就能向前行駛。
至此，分子機器動起來了。
分子機器
隨著生物技術水準的迅速進步，這樣的生物技術藥物可能會很快地代替現有藥物，為人類創造更好的福祉，可是這些構建出來的融合蛋白還遠遠未能表達出人們所企求的結構和功能水準——人工多結構域“蛋白質機器”所應該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質分子機器的一個雛形。現在，正有科學家試圖把如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，製造一種極其微小的裝置，科學家意圖使用這種裝置來操控別的分子，運用於醫學可以用來清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景。
不少國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶佔分子機器人這種新科技的戰略高地。《機器人時代》月刊日前指出：分子機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用於醫療和軍事領域。
諾貝爾獎評選委員會表示，就像19世紀30年代，當電動馬達被發明出來時，科學家未曾想過它會在電氣火車、洗衣機、電風扇上被廣泛運用，給人類生活帶來翻天覆地的變化。正如當年的電動馬達一樣，分子機器未來很有可能將用於開發新材料、新型感測器和能量存儲系統等，為人類的未來提供了無限可能。
2016年10月5日，諾貝爾化學獎因“分子機器的設計和合成”授予讓-皮埃爾·索維奇、J·弗雷澤·斯托達特和伯納德·L·費林加，以表彰其設計並建造了最小的機器“分子機器”。
1983年，讓-皮埃爾·紹瓦熱邁出了通往分子機器的第一步，他將兩個環狀分子連成鏈狀，並將其命名為索烴。隨後的1991年，斯托達特成功製備了輪烷，其中一個分子為鏈，一個分子為環，環分子可以繞鏈轉動。在此基礎上，科學家成功研製了分子起重機、分子肌肉和分子晶元。費林加則是發展分子發動機的第一人。1999年，他製備了一種能夠持續朝一個方向轉動的分子發動機，用它轉動了比它大一萬倍的玻璃杯，並且設計了一個微型車。
2016諾貝爾獎獲獎者帶化學走出了僵局，並用給予能量的方式控制了分子的運動。從發展的眼光看，分子機器之於我們正如電動機之於19世紀的科學界先輩，那時他們並不知道這些線圈和磁石會化為電車、洗衣機、電風扇等等走進千家萬戶。分子機器很有可能會在未來的新材料、感測器、儲能系統等領域大顯身手。
基本信息
- 中文名
- 分子機器
- 外文名
- Molecular machines
- 類別
- 設備
- 影響
- 研究生物納米機器
- 相關獎項
- 2016諾貝爾化學獎