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“纯化学”科学家研发世界最小“机器”

导读: 诺贝尔奖评审委员会指出,目前,分子机器处在概念应用阶段,尽管“分子机器”目前还没有实际的应用,未来它会怎样改变人类的生活?据介绍,它有望用于更精准的疾病检测、药物输送,超高密度信息存储、能量存储,新材料、传感器等众多领域,应用前景不可限量。

  OFweek仪器仪表网讯:近日,2016年诺贝尔化学奖在瑞典斯德哥尔摩公布 ,法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦日教授、美国西北大学的弗雷泽·斯托达特爵士以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加教授获此殊荣,获奖理由是“分子机器的设计与合成”。据介绍,它有望用于更精准的疾病检测、药物输送,超高密度信息存储、能量存储,新材料、传感器等众多领域,应用前景不可限量。

  什么是分子机器

  据复旦大学化学系黎占亭教授介绍,简单来说,分子机器是在分子水平上,由一个分子或几个分子,通过分子的运动,实现宏观机器的运动。

  黎占亭介绍,第一位获奖者让-皮埃尔·索瓦日教授的导师曾于1987年因“超分子化学”获得诺贝尔化学奖。此次让-皮埃尔·索瓦日教授的贡献在于第一个在分子机器研发领域开展工作。1983年,他通过配位作用,构建超分子结构,成功地将两个环形分子连接起来,形成了一根链。一架机器要能执行任务,其各个组成部分之间必须具有相对运动的能力,这两个相互扣合的环形分子正好符合这个要求。

  华东理工大学化学与分子工程学院教授、中科院院士田禾介绍,1991年,美国化学家斯托达特第一个提出“分子梭”概念,即在一个刚性棒状分子上套一个分子大环——轮烷,分子大环能在分子棒上来回穿梭。“在给予能量后,分子机器的各个模块就会做相对运动,像我们熟悉的机器那样”。

  第三位获奖者伯纳德·L·费林加教授则是研究出分子马达的第一人,在光控单分子马达领域有开创性的工作。田禾介绍,费林加合成的是“分子马达”,它有一个固定基座,位于基座上部的分子会做360度定向转动,与宏观世界的机械马达很像。1999年,他研究出分子旋转叶片。利用分子马达,他让一个比马达大上1万倍的玻璃杯成功旋转。

  “今年获得诺贝尔化学奖的三位科学家研制出了三种分子机器,其状态各不相同。他们的开创性工作让人类认识到,可用分子为材料,设计、建造微观世界的机器。”田禾说。

  分子机器有何意义和应用价值

  分子机器的问世有什么意义和应用价值?田禾说,生物体内的很多活动,其实都有赖于分子机器的运转。科学家研究细胞分裂、DNA复制、物质运输、肌肉收缩等生命活动,追溯到分子层面后,发现它们都是众多分子机器做功的结果。因此,化学家可以和生命科学家合作,通过设计、合成分子机器来模拟各种生命现象。

  分子机器还能用来存储信息,构建神奇的“分子计算机”。2007年,斯托达特带领团队研制出一种能超高密度存储信息的分子芯片,其存储密度达到了2020年硅基芯片的水平。华东理工大学化学与分子工程学院教授曲大辉解释说,硅基芯片的信息存储密度遵循摩尔定律(在价格不变情况下,集成电路上可容纳的元器件数目和性能,每隔18—24个月会提高1倍),但这个定律会遇到发展瓶颈,而分子芯片能实现分子尺寸上的信息存储,所以不遵循摩尔定律,在存储密度上能大幅超越硅基芯片。

  诺贝尔奖评审委员会指出,目前,分子机器处在概念应用阶段,尽管“分子机器”目前还没有实际的应用,未来它会怎样改变人类的生活?据介绍,它有望用于更精准的疾病检测、药物输送,超高密度信息存储、能量存储,新材料、传感器等众多领域,应用前景不可限量。

责任编辑:nick
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