分子的自我修養：不會72變的分子不是好機器
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文/本刊編輯 顧淼飛
大事兒
北京時間10月5日17點45分，2016年諾貝爾化學獎揭曉。獲獎者為法國斯特拉斯堡大學的讓-??皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）、美國西北大學的J. 弗雷澤·斯托達特爵士（Sir J. Fraser Stoddart）以及荷蘭的格羅寧根大學的伯納德·L. 費林加（Bernard L. Feringa），以表彰他們在分子機器設計和合成方面的貢獻。
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開關、晶元、電梯、馬達、汽車，
這些都是分子做的？
沒錯！但還沒完，
分子還可能做出火箭、機器人……
這不是魔術，
但這確實體現了科學的魔力。
於是，今年的諾貝爾化學獎授予了「分子機器」這個偉大的成果。
分子機器的獲獎感言：
「我要感謝索烴和輪烷」
眾所周知，分子間可以通過共用電子對形成共價鍵，
然而這種結合方式非常穩定，
——成了鍵，就很難「動次打次」地動起來了。
這顯然不能拿來做機器。
因此，製作分子機器的第一步，
就是設計出不以共價鍵結合的「分子」。
像這樣
這就是索烴。看上去像是兩個環互相鎖在了一起，環與環之間不存在任何價鍵力，這樣的結合方式比共價鍵弱且自由，因此兩個環可以實現一定程度的相對運動。事實上，索烴是指由索環串在一起組成的一類分子，上圖表示的是最簡單的例子，也就是僅有兩個索環組成的索烴。（圖片來源：維基百科）
索烴的合成：滿滿的都是套路
第一步：
在下面這個黑色的環狀分子上引入一個銅離子做誘餌，吸引一些別的分子。
第二步：
看，一個新月狀的分子上鉤了！它過來了！
第三步：
另一個新月狀的分子也在趕來的路上！猜猜它能把前一個分子攆走嗎？
第四步：
答案揭曉——銅離子大功告成，先撤了……
銅離子，你是在逗我嗎！
人生如戲全靠演技，拜拜嘍！
索烴，是由索維奇首次合成出來的，
這是索維奇對分子機器的貢獻。
之後，索烴的設計一發不可收……
現在，插播一則化學家斗圖大賽實況：
參賽作品一：這裡是中國中央電視台（老版CCTV台標）
參賽作品二：啊~~你比五環少兩環~
參賽作品三：看著我，能腦補出一個中國結不？
別鬧，人家有正式的學名：
a. 三葉結分子；b. 博羅米恩環分子；c. 所羅門結分子。
這些都是索維奇和斯托達特設計併合成出來的索烴。
不過索烴「分子」的運動似乎少了點方向，
於是，化學家決定在環狀「分子」中間插個軸，
指引它們前進的道路。
像這樣
這就是輪烷。中間的線性分子上有2個富電子位點，都可以與缺電子的環狀分子結合。化學家可以控制環狀分子與哪個位點結合，當然，也可以再任性一點，讓環狀分子時而與位點a結合，時而與位點b結合——相當於讓環狀分子以這個線性軸為方向，跳來跳去。
輪烷，是由斯托達特首次合成出來的，
這是斯托達特對分子機器的貢獻。
從索烴到輪烷，
分子從「可以動」到「有方向地動」，
這是合成化學的一小步，卻是分子機器的一大步，
從此，分子開始了逆天的72變。
一個小問題：為什麼上文中有的「分子」加了引號呢？
因為像這種以非共價鍵弱相互作用力（比如氫鍵、靜電相互作用，主客體分子識別）組裝在一起的分子聚集體，嚴格來說並不能稱之為分子，在化學領域有一個詞叫「超分子」，專門用來描述這種分子聚集體。
1987年的諾貝爾獎授予了超分子化學，當時人們就曾預言下一步是動態的超分子體系。索烴、輪烷以及其他可以實現可控運動的類似體系，都可以用來製作分子機器。
為了簡便起見，下文的「分子」就不再一一加引號了。
先實現一個小目標：
做個開關、晶元、電梯
還是剛才的輪烷，
我們可以拿它來做個分子開關，
主要是它跳來跳去的樣子跟開關的一開一合實在太像了。
我們把它放進水溶液里，
通過改變水溶液的酸鹼度（也就是改變正負電荷的濃度），
或者讓它結合水溶液中特定的離子或分子，
就可以控制富電子位點的位置以及電子富餘程度，
從而控制環狀分子如何跳來跳去。
這就是分子開關的示意圖（圖片來自網路）
還是剛才的輪烷，
我們可以拿它做個分子晶元，
主要是它跳來跳去的樣子太適合記錄信息了。
我們把它夾在硅電極與鈦電極之間，
通過改變電信號，
就可以控制環狀分子如何跳來跳去。
這種跳來跳去的動作相當於分子呈現出的不同狀態，
從而實現「在分子水平進行超高密度的信息存儲」。
在硅基存儲材料漸入瓶頸的今天，
誰將引領下一代信息革命，
分子晶元，我看行！
這就是基於輪烷的分子晶元了，它可以儲存20KB的數據。（圖片來自網路）
還是剛才的輪烷，
我們可以拿它來做個分子電梯，
主要是它跳來跳去的樣子跟電梯的上上下下太像了。
我們把它90°豎過來，
於是它跳來跳去的過程就相當於電梯了，像這樣
斯托達特設計的分子電梯。當環狀分子沿著這條軸跳動的時候，就相當於乘坐了電梯。這款分子電梯可以將自己抬高0.7納米。
顫抖吧，分子馬達來了
為什麼說分子開關、晶元、電梯都只是個小目標呢？
因為它們說到底都只是環狀分子沿著一條線性分子軸做直線運動。
能讓分子轉個彎嗎？
當然能！
我們來做個分子馬達吧，像這樣
兩個葉輪狀的分子（官能團）以碳碳雙鍵相連。在紫外線的照射下，其中一個以碳碳雙鍵為軸轉動了180°，轉動的結果是產生了位阻效應（見右上圖的突出顯示部分），位阻效應使此處的空間略有些緊張。當張力釋放時，葉輪繼續轉動。這樣的設計不會發生反方向的轉動。
分子馬達是由費林加製作出來的，
它不僅讓分子可控地轉了起來，
並且為分子機器的發展注入了無限的可能性，
這是費林加對分子機器做出的貢獻。
最開始它轉得並不快，
但經過優化，分子馬達的旋轉速度達到了每秒1200萬轉。
有了這樣風馳電掣的速度，
費林加用分子馬達做了一輛納米車，像這樣
所以小標題里用了「顫抖」二字，真的不是誇張啊！
分子機器有什麼用？讓時間來證明
繼多年將化學獎頒給了生物、物理、生物醫學、分子生物學……
並成功地將化學獎帶進了「理綜獎」的坑裡之後，
今年的化學獎終於頒給了純粹的化學領域。
然後很多人並不買賬，
紛紛追問：「這個分子機器有什麼用？」
呵呵，
當19世紀30年代電動機剛剛問世的時候，
誰會想到電氣革命會將我們帶到一個
包圍著冰箱空調洗衣機、地鐵汽車飛機的今天？
我猜諾貝爾獎評委會此刻一定會做恨鐵不成鋼狀：
參考文獻：
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/
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