伯纳德·费林加表示,当“我们第一次启动分子机器并看到运动时”,他感到震惊。这位化学家说,今天早上他接到斯德哥尔摩的电话,告知他的工作为他赢得了今年诺贝尔化学奖的一部分,他同样感到震惊。
费林加与化学家让-皮埃尔·索瓦日和弗雷泽·斯托达特爵士分享了该奖项,以及约 923,000 美元的奖金,以表彰他们在纳米尺度(比头发宽度小一千倍,或十亿分之一米)上构建机器。诺贝尔委员会列举了分子马达、电梯、肌肉,甚至微型四轮驱动汽车,作为这三位科学家的部分发明,他们掌握了构建技术和创造能量使物体运动的能力。
诺贝尔委员会的科学家,以及费林加本人在一次采访中,都强调实际应用尚未制定出来,但也许他们过于谦虚了。基于这些设计原理的纳米级机器已经开始塑造医学的未来:《大众科学》最近报道了可以通过血管发送的纳米机器人和可以监测重要器官健康的纳米材料。斯托达特的一些工作在 2007 年的杂志一篇文章中得到了强调。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
索瓦日于 1944 年出生于法国斯特拉斯堡大学工作。斯托达特于 1942 年出生,现任职于伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学。费林加出生于 1951 年,在荷兰格罗宁根大学工作。
索瓦日是 1983 年朝着微型机器迈出重要一步的第一人,当时他连接了两个环状分子形成一条链,其中一个组件可以相对于另一个自由移动,而不是固定到位。为了使机器能够执行任务,其部件必须能够相对于彼此移动。斯德哥尔摩皇家理工学院 KTH 的化学家,同时也是诺贝尔化学委员会成员奥洛夫·拉姆斯托姆说,这两个相互锁定的环满足了这一要求。
然后,在 1991 年,斯托达特展示了分子部件可以被控制。他和他的团队将一个分子环穿到一个细分子轴上,并将其移动到不同的部分,然后再移回。环保持在这个轴周围,因为这两个组件具有互补的电子基团,使它们保持在一起,但又足够松散以移动。当斯托达特添加热量——激发轴各个部分的电子时——环上下滑动。这种类型的控制为包括分子电梯(上下移动)和分子肌肉(可以伸缩)在内的设备奠定了基础。
费林加利用添加能量的想法来创造旋转运动,这对于真正的马达至关重要。1999 年,他使分子转子叶片朝一个方向旋转,克服了分子基本的随机运动。到 2014 年,他的马达转速已达到每秒 12,000 转。他还使用马达旋转一个比马达本身大 10,000 倍的玻璃圆筒。他的团队还连接了多个马达和轴,制造出四轮驱动“纳米汽车”。
这一切对改变我们生活的世界意味着什么?许多观察家将这种情况比作 19 世纪末,当时科学家们刚刚开始制造由电力驱动的更大的马达。今天,我们有电动钻、洗衣机和汽车。费林加将此比作莱特兄弟。他说,一旦他们制造出飞行器,人们高兴地做出反应,但也想知道它有什么用途。“而今天我们有了波音 747,”这位化学家说。分子机器的可能应用范围从在体内搜寻癌症的机器人到为计算机供电的微型储能设备,他认为。
美国化学学会主席兼化学家唐娜·纳尔逊说:“我认为这个话题对于科学来说将是非常棒的。诺贝尔奖的颁发会激发其他研究人员对该主题的浓厚兴趣。它还将增加资金。”纳尔逊还指出,这个特殊的领域,微型机器,“对于孩子们来说将是令人着迷的。他们可以形象化它,并想象一辆纳米汽车。这来得正是时候,我们需要激励下一代科学家。”
灵感创造结果。今天的获奖者以及他们专业领域的许多人,都受到了另一位诺贝尔奖获得者、物理学家理查德·费曼 1959 年演讲的启发,他谈到了在最小尺度上进行构建的潜力。他的演讲题目是“底部有很大的空间”。今天,较低的空间被证明是通往科学世界顶峰的道路。