您听说过勒芒24小时耐力赛吗？这项艰苦的昼夜耐力赛每年在法国南部举行。就在图卢兹的下游，科学家们正在准备一场时间更长、完全史无前例的比赛。它不会在经典的赛道上进行，而是在世界上最小的专用金色赛道上进行。这是有史以来第一次纳米车比赛，或者简称为纳米赛。虽然这可能看起来很有趣，但这场比赛有一个严肃的科学目的：测试最近在法国南部安装的一台独特的扫描隧道显微镜 (STM)。这场比赛还将为纳米车如何在极端条件下应对提供新的见解。
Christian Joachim，法国国家科学研究中心 (CNRS) 的研究员和纳米赛的组织者，说“由于 STM 系统的进步，现在可以操纵单个原子，甚至分子”。 “借助新的四探针显微镜，不同的人可以同时在同一个表面上工作。这项技术最终将提高原本速度缓慢的仪器的操作速度，”他补充道。这意味着可以独立“驱动”四辆纳米车，每个探针驱动一台机器。从每个探针流出的电子实际上将成为纳米车的燃料——推动它前进——获胜的机器将是行驶最远的机器。
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大约一个月前，六支参赛队伍中的三支在图卢兹参加了“热身”圈赛。 Éric Masson，美国 俄亥俄州山猫纳米车队 的队长之一，也是美国俄亥俄大学的研究员，对“能够使用这台非常棒的四探针 STM”感到兴奋。他以前从未研究过纳米车，但合成过其他超分子。他决定将其中一些组合起来，并首次设计一辆纳米车。“我们的设计融合了美学和实用性。我之前研究过可以很容易地设想为轮子的环大分子，以及带有刚性轴组件的假轮烷。” 俄亥俄州团队以优雅的方式建造了他们的纳米车：“我们将框架悬浮在水中，”Masson 解释道。“然后，我们添加轮子，汽车逐步自组装。当我们添加最后一个轮子时，汽车突然变得水溶性，沉淀物消失了。” 纳米车结构的复杂性表明它将具有高度复杂的 NMR 谱图。但 Masson 表示情况根本不是这样，而且由于纳米车的对称性，“NMR 非常清晰，毫无疑问轮子最终会落在哪里”。
竞速到底
Waka Nakanishi，日本NIMS-NAMA 团队的队长和设计师，也是日本国家材料科学研究所的研究员，她说“比赛的目的是看看分子在这些非常特殊的条件下如何表现”。 “我们举办这场比赛是为了获得乐趣，并与世界分享[我们发现的]重要性，”她补充道。她的团队面临的主要挑战是将纳米车放到金色赛道上，并最终用 STM 显微镜对其进行成像。她仍然很乐观，“因为有数百万辆汽车；如果其中一辆被损坏，我们总是可以使用另一辆 [并继续比赛]，”Nakanishi 说。
We-Hyo Soe，日本队的“车手”之一，也是 2012 年吉尼斯世界纪录 世界最小工作齿轮 的保持者，向化学世界解释了比赛为何需要 38 小时。“因为我们必须将赛道保持在约 5K (–268°C) 的低温下，所以我们受到氦气罐容量的限制。” 对于 Soe 来说，“赢得比赛并不重要”，因为一切都是为了扩展对分子机器行为的理解。
然而，Gwénaël Rapenne，法国图卢兹纳米移动俱乐部 团队的负责人和图卢兹大学的化学教授，说：“这场比赛的目标是获胜！开玩笑地说，真正的目标是使用新的四探针 STM 显微镜，这在世界上是相当独特的。” Rapenne 还将纳米赛视为寻找新资金来源的绝佳机会。“我们不能使用公共资金来资助像比赛这样的活动，而且也很难让私营公司资助基础研究，因为应用还很遥远。” 纳米赛已获得丰田、标致或米其林等公司的赞助。Rapenne 说，汽车公司的支持将帮助他们开发新的 STM 显微镜。法国队有两辆车：他们最初的、技术模仿的、共价键合的纳米车和他们新设计的弯曲纳米车——被称为“绿色越野车”，因为该分子实际上是绿色的——它最大限度地减少了与赛道的相互作用。Rapenne 说，“具有共价键的分子组装体比自组装纳米车更稳定、更刚性和更精确”。根据 Rapenne 的说法，“类似的分子在 STM 中可以持续长达六个月。它们非常稳定！”
梦想机器
尽管存在一些竞争，但所有队长都同意这场比赛将使他们的领域受益。许多人也为 2016 年诺贝尔化学奖颁发给了与他们内心息息相关的主题——分子机器而欣喜若狂。“我为我的博士生导师 Jean-Pierre Sauvage 感到非常高兴，”Rapenne 说。“直到现在，很多人都认为分子机器只是好玩的东西，没有实际应用。诺贝尔奖认可了这个领域真正的的重要性，”他补充道。“这肯定会促进分子机器的研究，”Soe 也表示赞同。
Steve Goldup，英国南安普顿大学研究互锁分子和分子机器的学者，说“也许这场纳米赛以诺贝尔奖无法企及的方式引起了人们的想象力，因为它是一个非常简单的想法：人们制造了非常小的汽车，他们将要比赛。每个人都明白这一点。” Goldup 说，发人深省的是“一些结构在某种意义上并不能识别为汽车，因为它们没有四个轮子、底盘和马达”。 “我们知道如何在宏观尺度上移动物体；在纳米尺度上，在金表面上，什么效果最好？”，他想知道。他补充说，四探针 STM 才是真正的明星。“这些成像技术不仅在纳米技术中非常有用，而且在生物应用中也很有用，挑战系统使其速度更快是一个很棒的想法”。
Goldup 补充说，“如果在网站上有一个投注选项会很酷”，并且他有自己的最爱。“我的钱会投给瑞士队，因为设计非常简单，而且有点违反直觉，”他说。“德国纳米风车也很漂亮。”
Masson 说，比赛定于明年 4 月 27 日至 29 日举行。经过两轮资格赛后，四支队伍将进入最后的 38 小时比赛。“每张图像大约需要五分钟才能获得，而纳米车每次只移动 3 纳米的微小步长，”Joachim 解释道。几乎肯定会有维修站供车手更换，组委会还为车手安排了休息的地方。“但以防他们想保持清醒，显微镜制造商为我们提供了一台免费的咖啡机！，”Joachim 笑着说。