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費林加團隊在分子機器領(lǐng)域不斷探索，迄今已經(jīng)設(shè)計出多種分子元件，能在控制之下做出開關(guān)、旋轉(zhuǎn)、定向移動等動作。其應(yīng)用前景包括能自我清潔和修復(fù)的材料，能在人體內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)投放的智能藥物，甚至是能執(zhí)行各種任務(wù)的納米機器人。
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“對我來說，預(yù)測未來的最好方法就是創(chuàng)造未來。今天我展示了分子馬達和分子車，它們能做各種各樣的動作，這是我能做的這就是未來。”
在宏觀世界，人類已經(jīng)有能力制造上天入地的精巧機器�，F(xiàn)在，人們正在努力推進“人類制造”的疆界，在僅有頭發(fā)絲十萬分之一粗細(xì)的微觀領(lǐng)域制造分子機器，比如分子開關(guān)、馬達、小車、泵和杠桿。雖然這些分子機器和元件目前尚顯“簡陋”，但它們未來在醫(yī)療、材料、信息等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力不可估量。
2024年5月10日上午，荷蘭化學(xué)家、2016年諾貝爾化學(xué)獎得主伯納德盧卡斯費林加（Bernard Lucas Feringa）來到復(fù)旦大學(xué)“浦江科學(xué)大師講壇”，以“造‘小’的藝術(shù)：從分子開關(guān)到分子馬達”為題發(fā)表演講并接受采訪，分享了他在分子納米科學(xué)方面的研究成果，以及對學(xué)術(shù)和教育的見解。
費林加在演講。主辦方供圖
費林加1951年在荷蘭出生，于1978年獲得荷蘭格羅寧根大學(xué)有機化學(xué)博士學(xué)位。1999年，他成功制備出一種能朝一個方向前進的分子馬達，并設(shè)計了一種分子車。2016年，因其“發(fā)明行動可控、在給予能源后可執(zhí)行任務(wù)的分子機器”，他與該領(lǐng)域另外兩名科學(xué)家一同獲得諾貝爾化學(xué)獎。
費林加和他的團隊在分子機器領(lǐng)域不斷探索，迄今已經(jīng)設(shè)計出多種的分子元件，能夠在控制之下做出開關(guān)、旋轉(zhuǎn)、定向移動等動作。“一旦在分子層面控制了運動，就為控制其他各種形式的運動提供可能。這為未來新材料的研發(fā)開啟廣闊的前景。”他在演講中提到。
這些前景包括能夠自我清潔和修復(fù)的材料，能夠在人體內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)投放的智能藥物，甚至是能夠執(zhí)行各種任務(wù)的納米機器人。
“現(xiàn)在的分子馬達就像19世紀(jì)30年代的電機。那時候的研究者僅僅在實驗室里展示各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和動輪，并不知道這些東西將導(dǎo)致洗衣機、電風(fēng)扇的誕生。”費林加說。
他鼓勵青年繼續(xù)探索，一方面要保持好奇、勤奮研究，而另一方面應(yīng)當(dāng)具備理想，將事關(guān)人類生存與福祉的問題作為目標(biāo)，如環(huán)境問題、資源利用、更高效的交通等。他認(rèn)為，面對這些問題，“分子納米科學(xué)是一種途徑，其他科學(xué)也有自己的途徑，但最重要的是通過合作將人類的努力和才能結(jié)合起來。”
開關(guān)、旋轉(zhuǎn)和平移：在納米世界造光能車
雖然費林加的分子小車看上去結(jié)構(gòu)簡單，但其誕生的背后是一代科學(xué)家長達二十年的探索。
1959年底，著名物理學(xué)家費曼（Richard Feynman）在一次會議報告中大膽設(shè)想在微米和納米尺度上直接操縱原子的思想實驗，包括想象觀測、排列原子的方法，甚至制造納米電腦。在他看來，在微觀世界中，材料將會展現(xiàn)神奇的性能，信息存儲能力也將極大增強。
費林加在他的演講中引用這篇納米技術(shù)開山之作的標(biāo)題，“于微納處天地寬”（“There is Plenty Room at the Bottom”）。他認(rèn)為自此之后，出現(xiàn)了一種自下而上設(shè)計機器的新思路。通過設(shè)計更小的元件（如芯片）并將它們組合在一起，以形成更強大的功能。
直到上世紀(jì)80年代，隨著掃描隧道顯微鏡等觀測技術(shù)以及分子化學(xué)合成技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家才開始有能力直接觀測和操縱單個原子，實現(xiàn)更為復(fù)雜的人工分子構(gòu)建，讓分子機器的構(gòu)想成為可能。
2016年與費林加一同獲得諾貝爾獎的讓-皮埃爾紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage）與J弗雷澤斯托達特（J. Fraser Stoddart）都是分子機器領(lǐng)域的先驅(qū)。1983年，紹瓦熱將兩個環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴。1991年，斯托達特成功制備了輪烷，其中一個分子為鏈，一個分子為環(huán)，環(huán)分子可以繞鏈轉(zhuǎn)動。
在這些成果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們開始紛紛構(gòu)建各種各樣的分子機器元件，希望逐步實現(xiàn)復(fù)雜的功能。在費林加看來，微觀領(lǐng)域的機器構(gòu)建既從自然界中獲得靈感，又是對其原理進行抽象和重建的創(chuàng)造性過程。“我們仿照飛鳥制造飛機，但是我們到今天也無法制造一只鴿子，”他說，“況且鴿子也無法（像飛機一樣）載著400個人，以每小時1000公里的速度穿越海洋。”
費林加研制的“分子開關(guān)”，就是以生物眼睛上的感光物質(zhì)為靈感而制造出來的。“最棒的開關(guān)就在你的眼睛里，它們根據(jù)光線切換狀態(tài)，使人們能夠看見東西，”費林加說，“而且這種切換是可逆的，這樣才能保證人們能一直看到東西。”
光感分子開關(guān)有多種用途，比如培養(yǎng)光感細(xì)菌。主辦方供圖
據(jù)此，費林加研制出一種感光分子開關(guān)，其中具有對于光線敏感的化學(xué)鍵，在受到光照時改變形態(tài)，沒有光照時恢復(fù)，從而使得整個開關(guān)能夠在兩種狀態(tài)中切換。
費林加介紹，這種分子開關(guān)可以有多種用途，比如存儲和處理信息開關(guān)的兩種狀態(tài)就如同計算機代碼中的0和1，可以在此基礎(chǔ)上形成更為復(fù)雜的邏輯元件。此外，它還可以用于智能藥物的制作，“當(dāng)我們需要藥物在特定位置和時間釋放時，我們就用光線去照射它。”
與分子開關(guān)相比，分子馬達需要能夠持續(xù)地旋轉(zhuǎn)，并最好能夠控制旋轉(zhuǎn)的方向。在設(shè)計分子馬達上，費林加的思路則來自于生物內(nèi)部微觀運動的基本規(guī)律打破平衡。
“中國人常講要與自己和生活和諧相處，達到‘平衡’（harmony）的狀態(tài)。然而在生物領(lǐng)域，如果處于均衡（equilibrium）狀態(tài)，那你可能就活不成了。”費林加講解道，“各種生物分子的不對稱運動讓你的身體保持機能，這是旋轉(zhuǎn)馬達最漂亮的模型。”
大部分生物分子構(gòu)象都是不對稱的，如右旋的DNA和蛋白質(zhì)，也被稱為“手性”分子。費林加和他的團隊精心挑選和構(gòu)建多種手性分子，使它們能夠在光線的照射下旋轉(zhuǎn)運動。
費林加團隊研制的一種分子馬達。主辦方供圖
最初，費林加研制的分子馬達一小時只能轉(zhuǎn)一圈。隨著多年的探索，他和團隊實現(xiàn)了多種形態(tài)的、速率和方向在一定程度上可控的旋轉(zhuǎn)分子馬達，“最新的馬達一秒鐘可以旋轉(zhuǎn)1000萬圈，這是個驚人的進步。”
費林加認(rèn)為，分子馬達的用途前景十分廣泛，比如能夠自我修復(fù)和清潔的材料。通過無數(shù)個迷你馬達的運動，材料表面的傷痕就能夠自動“愈合”，污垢也能夠被排出。除此之外，分子馬達還能用來制造人工肌肉，能夠通過外部控制舒張和收縮。
在分子馬達的基礎(chǔ)上，費林加制造出四輪驅(qū)動的光能納米車。在這輛僅有2納米大小的車上，分子馬達旋轉(zhuǎn)的力被轉(zhuǎn)化成平移的力，使得小車能夠朝特定方向直線移動。
四驅(qū)光能納米車。主辦方供圖
未來等待年輕人創(chuàng)造
有了分子開關(guān)、分子馬達、分子車，是不是意味著以后就能像科幻片里一樣造出分子機器人，或是造出鋼鐵俠那樣的智能納米鎧甲？對此，費林加說，分子納米科學(xué)是一項基礎(chǔ)學(xué)科，目前還沒有非常成熟的應(yīng)用。在微觀領(lǐng)域，還有很多規(guī)律需要科學(xué)家解釋和探索。
“我不是個工程師，我是分子科學(xué)家。雖然我們制造納米車，但我們還必須解釋這種車是如何移動的，光線是如何驅(qū)動它的。這就需要理論上的探索。”費林加告訴澎湃科技，“我們做了很多計算，解釋為什么有的馬達轉(zhuǎn)得快，有的轉(zhuǎn)得慢，有的需要藍(lán)光驅(qū)動，有的需要紅光。”
從科學(xué)基礎(chǔ)研究到具體應(yīng)用往往是一個漫長的過程。“比如智能手機，它背后的基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)在70年前已經(jīng)大致完成，但它花了50年才發(fā)展起來。”費林加舉例道，“這將需要很長時間，也需要很多學(xué)科的共同努力與合作。”
費林加認(rèn)為，只有做好基礎(chǔ)研究，才能一步步朝某種未來前進，而非本末倒置。“50年后，或許我們的醫(yī)生能夠往病人身體里注入分子機器人，它們會自動治愈疾玻但我是個科學(xué)家，我不太擅長預(yù)測未來。”他說，“對我來說，預(yù)測未來的最好方法就是創(chuàng)造未來。今天我展示了分子馬達和分子車，它們能做各種各樣的動作，這是我能做的這就是未來。”
費林加提到，創(chuàng)造未來的是年輕人，“我看到很多具有才能的年輕人，他們將發(fā)現(xiàn)我們的未來，并使之成為可能。”
“對于年輕人我想說，發(fā)現(xiàn)你的天賦，追尋你的夢想，充滿自信。”他說，“發(fā)現(xiàn)你的能量是什么，你的激情是什么？好好想想自己的舒適圈在哪里，你能把標(biāo)準(zhǔn)定得多高？有時候做一些有一點難度的事是很好的，你會感覺很好。”
