来自三大洲的六支队伍正在为本月在法国南部抛光金赛道上举行的一场独特比赛做准备。但这并非奢华的超级跑车赛事：参赛者将驾驶单个分子。在36小时内，他们的目标是在真空和接近绝对零度冷却的实验室赛道上移动100纳米的距离——大约是人类头发宽度的千分之一。
该比赛被誉为世界首届纳米车赛，共同组织者、在图卢兹材料制备和结构研究中心工作的化学家Christian Joachim表示，其目的是让人们对纳米技术和分子机器感到兴奋，比赛也将在该中心举行。他和图卢兹-保罗·萨巴蒂尔大学的化学家Gwénaël Rapenne在Joachim意识到——在接受记者采访后——纳米车比他对纳米技术基本方面的研究更受公众关注后，发起了这场比赛。
比赛也可能为参赛者提供科学见解，他们希望更多地了解他们的单个分子如何与表面相互作用。参与者表示，这可能有助于催化剂的设计，并从长远来看，进一步实现创建用于运输货物或信息的分子级技术的目标。“这是一项由许多人同时进行的大型实验，”Joachim说。（《自然纳米技术》与《自然》新闻团队无关，是该比赛的赞助商。）
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用电子驱动
“纳米车”这个词实际上用词不当，因为参与这次比赛的分子没有发动机。（Joachim说，未来的比赛可能会加入发动机。）而且，这些分子是否会像“小车”一样滚动也尚不清楚：一些设计可能会，但许多设计缺少轮轴和轮子。车手将使用扫描隧道显微镜 (STM) 尖端的电子来帮助推动他们的分子前进，通常每次只移动0.3纳米——这使得100纳米“相当远的距离”，奥地利格拉茨大学的物理学家Leonhard Grill指出，他共同领导着一支美国-奥地利参赛队伍。
参赛者不允许用STM尖端直接推他们的分子。一些队伍设计了他们的分子，使入射的电子提高它们的能量状态，从而引起振动或分子结构的变化，从而推动赛车前进。其他队伍则期望电子的静电斥力成为主要的驱动力。日本筑波国立材料科学研究所的有机化学家仲西和（Waka Nakanishi）设计了一种带有两组“襟翼”的纳米车，当分子被STM尖端激发时，这些“襟翼”会像蝴蝶翅膀一样扑动。她说，参加比赛的部分原因是希望可以使用图卢兹实验室最先进的STM来更好地了解分子的行为。
俄亥俄大学雅典分校的化学家埃里克·马森 (Eric Masson) 希望找出他团队赛车的“轮子”（南瓜状的原子群）是否会在表面上滚动还是仅仅滑动。“我们想更好地了解分子与表面之间相互作用的本质，”马森说。
仅仅观看比赛进展就成功了一半。每次尝试推动后，队伍将花费三分钟用STM扫描他们的赛道，并且每小时他们都会制作一个短动画，并立即将其发布在网上。Joachim说，这样，每个人都能够看到几乎实况直播的比赛。
纳米级比赛
化学家们以前曾创造出带有轮子和轮轴的微型纳米车，以及分子转子和开关。2016年诺贝尔化学奖颁发给了纳米机器的创造者，这重新引起了人们对该领域的兴趣。然而，Joachim说，诺贝尔奖获得者主要研究溶液中大量的分子，而这次比赛的研究人员则专注于单个分子与固体表面之间的相互作用。
但是，纳米级的汽车行为与现实生活中的汽车截然不同，这使得很难找到这些机器的用途。在这些尺度上，静电力占主导地位，随机热振动不断地使分子晃动。因此，纳米机器最终可能会以意想不到或不可预测的方式运行，Grill说。
图卢兹实验室拥有一台不寻常的STM，它有四个扫描尖端——大多数只有一个——这将允许四个队伍同时在金表面的不同部分进行比赛。本周将有六支队伍竞争四个名额中的一个；决赛将于4月28日上午11点（当地时间）开始。参赛者在比赛中将面临许多障碍。比赛中的单个分子经常会丢失或卡住，而最棘手的部分可能是协商赛道上的两个弯道，Joachim说。他认为赛车手可能需要多次重新开始才能覆盖这段距离。
本文经许可转载，并于2017年4月19日首次发表。