原文网址：http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2016.html ============================================================================== 2016年诺贝尔奖简介 林宇轩，曹一允，蔡蕴明合译 於2016年十月五日 本文译自诺贝尔化学奖委员会公布给大众的新闻稿，原文可自以下官方网站取得： https://goo.gl/W6UBWU 若有兴趣阅读进阶的资料，请由下列网址取得： https://goo.gl/SWHxm3 *译者简介： 林宇轩正於台大化学系攻读硕士学位，在李弘文教授实验室进行研究，目前於瑞典Umeå 大学做交换学生。 曹一允在美国德州农工大学攻读博士，在Karen Wooley教授实验室进行研究，除翻译本文 外亦负责将其中图片中文化。 蔡蕴明现为台大化学系名誉教授。 *感谢台大化学系的蔡明轩帮忙将此文放上化学系的网页。 如何将分子变成机器 2016年的诺贝尔化学奖颁给了Jean-Pierre Sauvage (索瓦)，Sir J. Fraser Stoddart (史托达特爵士)，和Bernard L. Feringa (费伦加)，这是 因为他们开发出了比头发还要细上千倍的分子机器，这是关於他们如何将化 学分子连结在一起并设计出各种机器，包括微型电梯，马达以及微型肌肉的 故事。 你到底能制造出多小的机器？这是得过诺贝尔奖的费曼(Richard Feynman)在 1984年的一个前瞻性的演讲中一开始所提出的问题，费曼着名的事蹟就是他 在1950年代对奈米科技发展所做的预测。赤着脚，上身穿着一件粉红色的 polo衫，下身是一条哔叽短裤，他转过身来面对听众说道“现在让我们来谈 谈那个制造具有可移动的零件的微小机器的可能性吧”。 他坚信制造奈米尺度大小的机器是可能的，其实这类机器在自然界本就存在 ，他用细菌的鞭毛为例，那是状如木塞起子的螺旋状巨大分子，当它们旋转 时可让细菌向前进行。但是人类 – 拥有一双巨大的手掌 – 真有可能制造 出那种小到要用电子显微镜才能看到的机器吗？ 一个对未来的憧憬 ─ 分子机器将在25-30年内出现 一种可能性就是先制造出一双比你的手要小的机器手，用来做出一双更小些 的手，继续用之做出更小的手，如此持续做到产生一双极度微小的手，用来 制造同样微小的机器。费曼说“这曾被试过，但未成功”。 另一个费曼比较有信心的策略，那就是用由下而上的方法来制造这种机器。 他的想法在理论上的架构方式是将不同的物质，例如矽，先喷洒在一个表面 上，一层原子上面再喷上一层原子，接着将某些层中的部分原子溶解後移除 ，制造出一些可利用电流控制其移动的零件。费曼对未来的憧憬，是利用这 样的架构方法来制造一个微型相机的快门。 这个演讲的目的是在鼓舞在座的研究工作者，让他们对所相信的可能性去测 试其极限。当费曼将讲完而要阖上他的笔记时，他望向台下的听众，以有些 淘气的语调说道“…祝你们重新设计各种所熟悉的机器时会有一段快乐的时 光，试试看你们是否能做到，给它25-30年，将会有一些实际的用途。到底可 以有何用处，我也不知道”。 但是费曼以及在座中的研究工作者们在当时所不知道的，其实踏向分子机器 的第一步已经跨出，只是以一个与费曼所预测的方法完全不同的方式来进行 的。 机械式互锁的分子 二十世纪中期，为了创造出更前端、更复杂的分子结构，化学家试着合成出 一些锁链状分子，其结构是以环形的分子连锁在一起。达成这项目标的人不 仅仅是做出了一种惊人的新型分子，更引入了一种新的键结方式。一般而言 ，分子之间可经由很强的共价键连结在一起，那是一种原子之间共享电子所 形成的键结。但一个梦想中新的机械式键结，则是利用“机械互锁”的方式 达成，不牵扯到原子之间直接的作用。 许多实验室在1950与1960年代纷纷发表了各式分子锁链的合成，然而他们复 杂的合成方法仅能制造少量的产物，大大局限了应用方面的可能性。比起应 用化学，这些研究的进展不如说是满足了化学家们的好奇心而已。即便一直 到1980年代早期，长期的挫折使得分子锁链的研究徒剩一片愁云惨雾。重大 的突破发生在1983年，法国化学家索瓦所领导的研究，引入了一个很普通的 铜离子，成功掌握了这个型态的分子。 索瓦利用铜离子吸引分子 如同时常发生在科学研究中的情形，重要的提示往往是从不怎麽相关的领域 出现的。索瓦早期是在研究光化学，在此领域中，有化学家们利用一种分子 错合物捕捉太阳能来驱动化学反应。当索瓦正在建构一个具有光化学活性之 错合物的模型时，突然注意到这个模型和连锁分子之间有着重要的连结：两 个分子围绕着中心的铜离子。 这个灵光一现的想法使得索瓦的研究方向有了戏剧性的转变。他的研究小组 利用这个光化学的错合物为模型，先合成出一个环形分子以及一个半月型的 分子，接着使用铜离子将二者吸引过去(图一)，第二步是利用半月型的分子 和第三个分子产生化学反应形成第二个环，也就合成了那个锁链分子的头一 个连结。移除铜离子後，就成功产生了预期中的连锁分子。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/01.png 探讨化学反应时，产率(反应物转变为产物的比例)是化学家注重的关键之一 。在索瓦导入这个合成方法前，化学家合成连锁分子的产率仅仅只有很小的 比例，而经由铜离子吸引分子的方法，可以让连锁分子的产率提高到42%。突 然间，连锁分子就不再只是满足化学家的好奇心的玩具了。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/02.png 藉由这个突破性的合成方法，索瓦就这麽为拓朴化学(topological chemistry)注入了一泉活水。这个领域的化学家 ─ 常透过金属离子 ─ 可 以制造出包含分子锁链以及分子结在内的各种更趋复杂的连锁分子。索瓦和 史托达特(详见後文)也成为了这个领域的先驱者，他们的研究室做出了包含 三叶草形、波罗缅环(Borromean ring)以及所罗门环(Solomon’s knot)在内 各式各样的连锁分子(图二)。 然而这样的艺术性不是2016年的诺贝尔化学奖强调的，让我们把目光转回分 子机械吧。 …迈向分子机械的第一步 索瓦很快就注意到这种被称为交环烷(catenane，由拉丁文的链catena衍伸而 来)的新型态分子，不仅仅是一个合成上的里程碑，更是通往分子机械的一大 步。一个可以完成多项工作的“机械”，必须至少由数个可以相对移动的小 零件组成，而两个机械式互锁形成的分子环便满足了这个条件。1994年，索 瓦的研究小组成功制作出了可以经由外在施加能量，控制其中一个环转动的 交环烷，这正是非生物型的分子机械开始绽放枝枒的第一步。 通往分子机械的下一步，则是由一位成长在没有电力和现代化设备的苏格兰 农田的化学家所贡献的。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/03.png 史托达特将分子轮轴穿过一个分子环 在孩提时期，史托达特并没有电视或电脑。不过，为了让自己有事情可忙， 他玩拼图，因此训练出了化学家所需要的一个技能：辨认形状以及观察它们 如何被连接在一起。他之所以被化学吸引，也因为期望有机会成为一位分子 艺术家 ─ 能够塑造出从未有人见过的形状。 2016年诺贝尔化学奖所表彰的这些分子创作中，史托达特发展的一个创新的 分子也利用了化学的潜力来设计互相吸引的分子。在1991年，他的研究团队 建造了一个缺电子的开环分子以及一个具有两个多电子位置的长棍，或可称 为轮轴（图三）。当两个分子在溶液中相遇时，缺电子分子会被多电子分子 吸引过去，然後分子轮轴穿过开环分子。下一步，研究团队将开环的开口两 端相接，使其成为完整的环状而能留在分子轮轴上。他们因此以高产率创造 出了轮烷(rotaxane），一种环状并以机械的方式套接於轮轴上的分子。 史托达特於是利用环的自由度，使其沿着轮轴移动。当他加热时，分子环就 像一个微小的区间车，在多电子的两端间前後跳动（图三）。到了1994年， 他能完全掌控分子环的移动，因而摆脱了化学系统中掌控分子移动的随机性 。 一台电梯、一块肌肉与一个极小的电脑晶片 自1994年以来，史托达特的研究团队已经使用多种轮烷来建造许多的分子机 器，包括一台可将自己提高0.7 奈米的分子电梯（2004年，图四）、一个能 够折弯金箔片的人造分子肌肉（2005年）。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/04.png 与其他研究者合作的过程中，史托达特也发展出一个以轮烷为基础、具有 20 kB 记忆体的电脑晶片。现在电脑中所使用的电晶体虽然非常微小，不过 和以分子为基础的电晶体相比则是巨大无比。研究者相信分子电脑晶片可能 会像当年以矽为基础的电晶体一样，掀起电脑科技的大变革。 索瓦也在研究轮烷的潜力。在2000年时，他的研究团队成功将两个有环状结 构的分子穿在一起，形成一个具有弹性的结构，类似人体的肌肉纤维（图五 ）。他们也建造了像是马达一般的分子，其中轮烷分子中的环可交替变换方 向的旋转。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/05.png 费伦加建造了第一个分子马达 就像史托达特，费伦加在农场长大，而且也被化学那无穷可能的创造力所吸 引。如同他曾在一次访问中所表达的：“也许化学的力量不只在理解，也包 括创造过去不存在的分子与材料…” 在1999年，当费伦加制作出第一个分子马达时，他用了一些聪明的技巧使它 只往同一个方向旋转。一般而言，分子的运动是随机的；平均来说，一个旋 转的分子往右转和往左转的次数相当。但是费伦加设计了一个在机械上受到 限制的分子，使得它只能往特定的方向转动（图六）。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/06.png 该分子是由类似两个小的转子叶片（rotor blade）构成，并由两个具有平面 结构上的碳以双键连结在一起。每个转子叶片上都连接上一个甲基，转子叶 片的这个甲基以及叶片部分以类似棘轮（ratchet）的方式，强迫分子只能往 同一个方向转动。当分子受一道紫外光脉冲的照射，其中一个转子叶片会以 双键为中心跳转180度，接着棘轮移动到位。随着下一道紫外光脉冲，转子叶 片会再转180度，这个步骤接着持续下去，叶片便一圈又一圈的往同一个方向 转动。 最初的马达并不快，但是费伦加的研究团队优化了它。2014年，马达已经可 以达到每秒一千两百万转。2011年，研究团队也建造了一个四轮驱动的奈米 车，分子底盘将四个具有轮子功能的马达接在一起，当轮子转动时，车子便 能在一个表面上往前移动（图七）。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/07.png 分子马达让一个小玻璃圆柱转动 在另一个令人惊叹的实验中，费伦加的实验小组用了分子马达去转动一个长 28微米(10 6 m)的玻璃圆柱(比分子马达要大10,000倍)。在此实验中，他们 将这些马达置入一个液晶(一种液体但具有晶体的整齐结构)中，只有百分之 一的液晶中含有分子马达，但是当研究者让马达开始转动时，液晶的结构被 马达改变。当他们将玻璃圆柱放在液晶上时，它随着马达所提供的动作而转 动。（这个过程的影片可以在此处下载： www.nature.com/nature/journal/v440/n7081/suppinfo/440163a.html） 一个用来制造的分子的工具箱 这些由索瓦，史托达特，费伦加在发展分子机器时所做的突破性方法，产生 了一个含有各种化学结构的工具箱，可让全世界各地的研究者用以建造出愈 发先进的创作品。其中最精采的例子是做出一种分子机器人，能将胺基酸分 子抓住然後将它们连接起来，那是在2013年运用轮烷所建造的。 另有研究者将分子马达接在聚合物的长链上，形成一个错综复杂的网状结构 ，当那些分子马达受到光的照射时，它们将聚合物卷成一些紊乱的束状物， 光的能量因此而储存在分子中，假若这些研究者能找出方法回收这些能量， 就可发展出一种新的太阳能电池。这种材料也会因为马达造成的缠绕而收缩 ，可以用来发展对光有反应的感应器。 远离平衡 ─ 朝一个新而有活力的化学迈进 一个2016年诺贝尔化学奖所表彰的重要发展，就是将分子系统带离“平衡” 。所有的化学反应都会趋向平衡 ─ 也就是一个较低能量的状态 ─ 但这个 过程也可以看成是一种僵局。这麽说或许有点难以理解，让我们用生命这个 简单的例子解释一下吧：当我们进食的时候，身体从食物中取得能量，并将 体内的分子系统推离平衡状态，进入具有较高能量的状态，接着生物分子用 这些能量驱动生命所需的化学反应。然而一旦我们体内的化学反应真正达到 平衡时，我们却将会死去。 正如生命中的化学分子，索瓦、史托达特以及费伦加所建构的人造分子系统 也是在执行一个有控制的任务。化学因此朝着新的方向踏出了第一步，虽然 在此初期阶段我们还看不出来把机械缩小会带来什麽样的好处，但时间的潮 流已经证明了同样的想法可以为电脑科技带来革命性的突破。从机械发展的 观点看来，现在的分子机械差不多正值1830年代电动马达的处境 – 那时候 的科学家仍然不晓得能够转来转去的轴和轮胎，竟会是现代火车、洗衣机、 电风扇，甚至是食物调理机的基石。 自费曼那前瞻性的演讲到现在，已经过了32年，我们仍然只能猜测未来令人 兴奋的发展。然而我们已经有办法回答费曼当初的问题：“你到底能制造出 多小的机器？”至少比一根头发小了一千倍！ 延伸阅读资料： http://www.ch.ntu.edu.tw/office/chmedeng.html --

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