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大自然在構(gòu)建微型機(jī)器方面簡直令人驚嘆。這些機(jī)器在許多生命過程中發(fā)揮著重要的作用。例如，我們的眼睛中數(shù)百萬個(gè)微型開關(guān)，使我們能夠看到彼此；我們的細(xì)胞中也有微小的馬達(dá)，負(fù)責(zé)泵送物質(zhì)進(jìn)出并產(chǎn)生能量。在荷蘭的實(shí)驗(yàn)室里，我和我的學(xué)生們對制造受大自然啟發(fā)的微小分子機(jī)器充滿熱情。我們成功開發(fā)了多種功能的分子開關(guān)和分子馬達(dá)，更研制出了世界上首輛分子尺度的納米汽車！這些分子機(jī)器可以用于改善人類健康、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，并開創(chuàng)前所未有的新型功能材料。在這篇文章中，我將分享我們?nèi)绾螛?gòu)建這些分子機(jī)器，并帶你一窺它們?nèi)绾胃纳莆覀兊纳睢?/span>

伯納德·L·費(fèi)林加與讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）和詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（James Fraser Stoddart，參見文章：紀(jì)念我的導(dǎo)師司徒塔特先生）三位教授共同獲得了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與合成方面的貢獻(xiàn)。

圖1: 分子開關(guān)是一種微小的分子，能夠在受到刺激時(shí)在不同狀態(tài)之間切換。最簡單的開關(guān)有兩種狀態(tài)：“開”和“關(guān)”，就像你家中的電燈開關(guān)一樣。

從童年起，我就深受大自然之美的啟發(fā)。我喜歡觀察自然，從中汲取智慧，并運(yùn)用這些知識(shí)創(chuàng)造新穎、有益的事物。大學(xué)期間，我非常幸運(yùn)地在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造了我的第一個(gè)分子！得知自己創(chuàng)造了一個(gè)從未存在過的分子，那種興奮和激動(dòng)難以言表。我開始對利用化學(xué)知識(shí)創(chuàng)造分子產(chǎn)生興趣，希望這些分子能夠模仿自然界創(chuàng)造的生物機(jī)器。這引領(lǐng)我踏上了一段漫長的探索之旅，最終，我成功組裝出了有史以來最小的汽車。

在荷蘭的實(shí)驗(yàn)室里，我們構(gòu)建微小的分子并研究它們的特性。這些分子的大小難以想象。如果你將兩根手指盡可能地靠近，直到它們之間只能容下一絲光線，這就是1毫米的寬度。而我們構(gòu)建的分子只有納米（nm）大小，1納米是你手指間縫隙的100萬分之一！

構(gòu)建分子有點(diǎn)像用樂高積木搭建一座美麗的城堡。我們以最小的分子為基礎(chǔ)，通過化學(xué)反應(yīng)移除或添加某些部分，然后利用其他反應(yīng)將這些分子組合在一起，構(gòu)建更大的分子。本質(zhì)上，我們是在打破和創(chuàng)建構(gòu)成分子的原子之間的鍵。通過“擺弄”這些分子積木，我們可以創(chuàng)造出前所未有的新分子。

我們合成分子通常是為了特定的用途，例如為汽車涂裝設(shè)計(jì)漂亮的顏色，或?yàn)橹委熂膊￠_發(fā)有效的藥物。我們常借助計(jì)算機(jī)，幫助我們確定應(yīng)該使用哪些原子和反應(yīng)，以設(shè)計(jì)新分子。即使有計(jì)算機(jī)的輔助，預(yù)測新分子的特性仍然非常困難，許多分子常常不會(huì)完全符合我們想要的特性。有時(shí)這種“錯(cuò)誤”實(shí)際上是一件好事，因?yàn)樗梢詭椭覀儼l(fā)現(xiàn)未曾預(yù)料到的特性。另外一些時(shí)候，我們必須不斷調(diào)整分子的結(jié)構(gòu)，直到最終創(chuàng)造出理想的特性。

制造出新分子后，我們會(huì)對它們進(jìn)行測量，深入了解它們的行為，包括單獨(dú)的分子，還有成群的分子（想象一下，研究一勺糖和其中單個(gè)糖分子的行為）。先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以來幫助我們研究分子的結(jié)構(gòu)和行為，包括一種非常強(qiáng)大的顯微鏡，稱為掃描隧道顯微鏡（STM）。STM的針尖只有一個(gè)原子大小。你能想象嗎？借助STM和其他先進(jìn)設(shè)備，我們可以確定分子是否具有我們期望的三維形狀，是否具備所需的特性（例如，正確的顏色、硬度或粘性）。雖然有時(shí)我們需要多次嘗試，但最終會(huì)創(chuàng)造出合適的分子，擁有理想的特性。

我們實(shí)驗(yàn)室對能動(dòng)的分子情有獨(dú)鐘，能動(dòng)的分子就像身體中的分子機(jī)器一樣。我們甚至嘗試給那些通常靜止的材料（如塑料和玻璃）制造“運(yùn)動(dòng)版”，讓它們也動(dòng)起來。想象一下，如果你們家臥室的窗戶或汽車玻璃能夠自我清潔，那該有多酷？一種簡單的分子運(yùn)動(dòng)涉及在兩種狀態(tài)之間的切換，就像眼睛中的分子開關(guān)一樣。為了創(chuàng)造這種運(yùn)動(dòng)，我們設(shè)計(jì)了一種分子，其上部可以通過光來進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)”[1]。想象一下在“右手”和“左手”狀態(tài)之間切換（圖2）——一種顏色的光將“右手”狀態(tài)切換到“左手”狀態(tài)，另一種顏色的光將“左手”狀態(tài)切換回“右手”狀態(tài)。這種類型的分子可以用于計(jì)算機(jī)的數(shù)字信息存儲(chǔ)（正如你所知，信息有“1”和“0”兩種狀態(tài)。通常，1和0通過硅制成的晶體管組件中的不同電壓來實(shí)現(xiàn)，使用具有兩種狀態(tài)的分子開關(guān)，也可以實(shí)現(xiàn)類似的“1”和“0”狀態(tài)）。

圖2:合成分子開關(guān)。在實(shí)驗(yàn)室中，我們設(shè)計(jì)了像開關(guān)一樣的分子。利用光，我們可以將這些分子從“右手狀態(tài)”切換到“左手狀態(tài)”，然后再切換回來。這種分子可以應(yīng)用于多種技術(shù)，包括在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)數(shù)字信息。

一旦能夠構(gòu)建在兩種狀態(tài)之間移動(dòng)的分子開關(guān)，我們希望進(jìn)一步研究更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，那便是旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的舞步。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)是一種機(jī)器，它通過某種燃料驅(qū)動(dòng)，朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，以此產(chǎn)生所期望的產(chǎn)物。在我們的細(xì)胞中，微小的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)負(fù)責(zé)制造ATP，為細(xì)胞提供能量的分子。受這一自然旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)的啟發(fā)，我們嘗試創(chuàng)造一種合成的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，它通過光（來自燈或太陽）驅(qū)動(dòng)，不斷朝一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，就像奔跑的汽車輪胎。這項(xiàng)任務(wù)充滿挑戰(zhàn)，因?yàn)榭刂品肿拥倪\(yùn)動(dòng)方向很困難。如果不受控制，分子就會(huì)瘋狂地四處奔走。因此，要讓分子的運(yùn)動(dòng)連續(xù)、平穩(wěn)，是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

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這位諾獎(jiǎng)得主，造出了世界上最小的汽車

視頻1：分子旋轉(zhuǎn)馬達(dá)在接受光照之后可以完成360度旋轉(zhuǎn)，因?yàn)楣鈺?huì)破壞分子中的鍵。

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這位諾獎(jiǎng)得主，造出了世界上最小的汽車

視頻2：世界上最小的納米車

在解決了這個(gè)挑戰(zhàn)后，我們創(chuàng)建了一條納米汽車的生產(chǎn)線，可以用來制造各種尺寸和速度的納米車。

我們還可以使用響應(yīng)性材料來改進(jìn)藥物，創(chuàng)造所謂的智能藥物[5]。普通藥物通常分布在全身并在各處起作用，與之不同的是，智能藥物只在我們希望它們起作用的時(shí)間和地點(diǎn)才被激活。分子開關(guān)可以附著在藥物上，這樣我們只有在用光照射時(shí)才能“啟動(dòng)”藥物。通過這種方法，我們可以避免藥物在體內(nèi)和環(huán)境中的不良反應(yīng)。例如，具有這種特性的抗生素可以幫助避免耐藥性的產(chǎn)生，而這是一個(gè)嚴(yán)重的問題。我們還可以設(shè)想微型的分子汽車在體內(nèi)巡游，讓身體保持健康，例如通過將特定藥物運(yùn)輸?shù)叫枰奶囟▍^(qū)域（圖3）。

圖3：我們可以使用微型分子汽車來改善健康嗎？未來，可能會(huì)有微型分子汽車在我們的身體中穿行，在身體內(nèi)需要藥物的特定位置釋放藥物。

當(dāng)萊特兄弟在1903年進(jìn)行他們的第一次歷史性飛行時(shí)，我想沒有人會(huì)預(yù)測到，僅僅100年后，數(shù)百萬人穿梭于全球。盡管我們今天使用的飛機(jī)比萊特兄弟發(fā)明的第一架飛機(jī)復(fù)雜得多，但仍然基于相同的原理。

對于分子機(jī)器領(lǐng)域，我也抱有同樣的愿景。未來，我們的早期構(gòu)想將得到發(fā)展，應(yīng)用于許多我們?nèi)缃駸o法想象的技術(shù)。作為化學(xué)家，我們的一部分工作是發(fā)揮創(chuàng)意，構(gòu)建我們自己的分子世界，發(fā)明新的事物。發(fā)現(xiàn)的過程通常充滿挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀冋仙嬖谖粗慕?。隨著時(shí)間的推移，我領(lǐng)悟到即使科學(xué)進(jìn)展艱難，也要保持信心，因?yàn)檫@份掙扎可能引領(lǐng)我們走向壯麗的成果。我知道你們每個(gè)人都有非凡的才能，希望你們能享受這份才華。追隨你的夢想，相信自己能夠?qū)崿F(xiàn)。

伯納德·L·費(fèi)林加 （Ben L. Feringa）在荷蘭格羅寧根大學(xué)完成了化學(xué)專業(yè)的本科和研究生學(xué)業(yè)。隨后，他在同一所大學(xué)獲得了博士學(xué)位，師從Hans Wynberg教授。1978年至1984年間，他曾在荷蘭殼牌公司以及英國殼牌生物科學(xué)中心擔(dān)任研究科學(xué)家。之后，他加入格羅寧根大學(xué)擔(dān)任教職，目前領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)專注于動(dòng)態(tài)分子系統(tǒng)的研究小組，研究方向包括分子開關(guān)、分子馬達(dá)以及分子納米車。在他的職業(yè)生涯中，費(fèi)林加獲得了眾多獎(jiǎng)項(xiàng)，包括Koerber歐洲科學(xué)獎(jiǎng)（2003年）、荷蘭最高科學(xué)獎(jiǎng)Spinoza獎(jiǎng)、Prelog金獎(jiǎng)、美國化學(xué)會(huì)Norrish獎(jiǎng)、英國皇家化學(xué)會(huì)有機(jī)立體化學(xué)獎(jiǎng)、洪堡獎(jiǎng)（2012年）、瑪麗·居里獎(jiǎng)?wù)拢?013年）、名古屋金獎(jiǎng)（2013年）以及諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（2016年）。費(fèi)林加與妻子貝蒂·費(fèi)林加育有三個(gè)女兒，現(xiàn)居住在荷蘭格羅寧根附近的一個(gè)村莊。

卡拉（CARLA），15歲