未來會出現納米機器人嗎?諾獎化學家費林加:想知道,就去造

2024年05月12日15:31:14 科學 9466

·費林加團隊在分子機器領域不斷探索,迄今已經設計出多種分子元件,能在控制之下做出開關、旋轉、定向移動等動作。其應用前景包括能自我清潔和修復的材料,能在人體內實現精準投放的智能藥物,甚至是能執行各種任務的納米機器人。

·「對我來說,預測未來的最好方法就是創造未來。今天我展示了分子馬達和分子車,它們能做各種各樣的動作,這是我能做的——這就是未來。」

在宏觀世界,人類已經有能力製造上天入地的精巧機器。現在,人們正在努力推進「人類製造」的疆界,在僅有頭髮絲十萬分之一粗細的微觀領域製造分子機器,比如分子開關、馬達、小車、泵和槓桿。雖然這些分子機器和元件目前尚顯「簡陋」,但它們未來在醫療、材料、信息等領域的應用潛力不可估量。

2024年5月10日上午,荷蘭化學家、2016年諾貝爾化學獎得主伯納德·盧卡斯·費林加(bernard lucas feringa)來到復旦大學「浦江科學大師講壇」,以「造『小』的藝術:從分子開關到分子馬達」為題發表演講並接受採訪,分享了他在分子納米科學方面的研究成果,以及對學術和教育的見解。

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費林加在演講。主辦方供圖

費林加1951年在荷蘭出生,於1978年獲得荷蘭格羅寧根大學有機化學博士學位。1999年,他成功製備出一種能朝一個方向前進的分子馬達,並設計了一種分子車。2016年,因其「發明行動可控、在給予能源後可執行任務的分子機器」,他與該領域另外兩名科學家一同獲得諾貝爾化學獎。

費林加和他的團隊在分子機器領域不斷探索,迄今已經設計出多種的分子元件,能夠在控制之下做出開關、旋轉、定向移動等動作。「一旦在分子層面控制了運動,就為控制其他各種形式的運動提供可能。這為未來新材料的研發開啟廣闊的前景。」他在演講中提到。

這些前景包括能夠自我清潔和修復的材料,能夠在人體內實現精準投放的智能藥物,甚至是能夠執行各種任務的納米機器人。

「現在的分子馬達就像19世紀30年代的電機。那時候的研究者僅僅在實驗室里展示各種各樣的旋轉曲柄和動輪,並不知道這些東西將導致洗衣機、電風扇的誕生。」費林加說。

他鼓勵青年繼續探索,一方面要保持好奇、勤奮研究,而另一方面應當具備理想,將事關人類生存與福祉的問題作為目標,如環境問題、資源利用、更高效的交通等。他認為,面對這些問題,「分子納米科學是一種途徑,其他科學也有自己的途徑,但最重要的是通過合作將人類的努力和才能結合起來。」

開關、旋轉和平移:在納米世界造光能車

雖然費林加的分子小車看上去結構簡單,但其誕生的背後是一代科學家長達二十年的探索。

1959年底,著名物理學家費曼(richard feynman)在一次會議報告中大膽設想在微米和納米尺度上直接操縱原子的思想實驗,包括想像觀測、排列原子的方法,甚至製造納米電腦。在他看來,在微觀世界中,材料將會展現神奇的性能,信息存儲能力也將極大增強。

費林加在他的演講中引用這篇納米技術開山之作的標題,「於微納處天地寬」(「there is plenty room at the bottom」)。他認為自此之後,出現了一種自下而上設計機器的新思路。通過設計更小的元件(如晶元)並將它們組合在一起,以形成更強大的功能。

直到上世紀80年代,隨著掃描隧道顯微鏡等觀測技術以及分子化學合成技術的發展,科學家才開始有能力直接觀測和操縱單個原子,實現更為複雜的人工分子構建,讓分子機器的構想成為可能。

2016年與費林加一同獲得諾貝爾獎的讓-皮埃爾·紹瓦熱(jean-pierre sauvage)與 j·弗雷澤·斯托達特(j. fraser stoddart)都是分子機器領域的先驅。1983年,紹瓦熱將兩個環狀分子連成鏈狀,並將其命名為索烴。1991年,斯托達特成功製備了輪烷,其中一個分子為鏈,一個分子為環,環分子可以繞鏈轉動。

在這些成果的基礎上,科學家們開始紛紛構建各種各樣的分子機器元件,希望逐步實現複雜的功能。在費林加看來,微觀領域的機器構建既從自然界中獲得靈感,又是對其原理進行抽象和重建的創造性過程。「我們仿照飛鳥製造飛機,但是我們到今天也無法製造一隻鴿子,」他說,「況且鴿子也無法(像飛機一樣)載著400個人,以每小時1000公里的速度穿越海洋。」

費林加研製的「分子開關」,就是以生物眼睛上的感光物質為靈感而製造出來的。「最棒的開關就在你的眼睛裡,它們根據光線切換狀態,使人們能夠看見東西,」費林加說,「而且這種切換是可逆的,這樣才能保證人們能一直看到東西。」

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光感分子開關有多種用途,比如培養光感細菌。主辦方供圖

據此,費林加研製出一種感光分子開關,其中具有對於光線敏感的化學鍵,在受到光照時改變形態,沒有光照時恢復,從而使得整個開關能夠在兩種狀態中切換。

費林加介紹,這種分子開關可以有多種用途,比如存儲和處理信息——開關的兩種狀態就如同計算機代碼中的0和1,可以在此基礎上形成更為複雜的邏輯元件。此外,它還可以用於智能藥物的製作,「當我們需要藥物在特定位置和時間釋放時,我們就用光線去照射它。」

與分子開關相比,分子馬達需要能夠持續地旋轉,並最好能夠控制旋轉的方向。在設計分子馬達上,費林加的思路則來自於生物內部微觀運動的基本規律——打破平衡。

「中國人常講要與自己和生活和諧相處,達到『平衡』(harmony)的狀態。然而在生物領域,如果處於均衡(equilibrium)狀態,那你可能就活不成了。」費林加講解道,「各種生物分子的不對稱運動讓你的身體保持機能,這是旋轉馬達最漂亮的模型。」

大部分生物分子構象都是不對稱的,如右旋的dna和蛋白質,也被稱為「手性」分子。費林加和他的團隊精心挑選和構建多種手性分子,使它們能夠在光線的照射下旋轉運動。

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費林加團隊研製的一種分子馬達。主辦方供圖

最初,費林加研製的分子馬達一小時只能轉一圈。隨著多年的探索,他和團隊實現了多種形態的、速率和方向在一定程度上可控的旋轉分子馬達,「最新的馬達一秒鐘可以旋轉1000萬圈,這是個驚人的進步。」

費林加認為,分子馬達的用途前景十分廣泛,比如能夠自我修復和清潔的材料。通過無數個迷你馬達的運動,材料表面的傷痕就能夠自動「癒合」,污垢也能夠被排出。除此之外,分子馬達還能用來製造人工肌肉,能夠通過外部控制舒張和收縮。

在分子馬達的基礎上,費林加製造出四輪驅動的光能納米車。在這輛僅有2納米大小的車上,分子馬達旋轉的力被轉化成平移的力,使得小車能夠朝特定方向直線移動。

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四驅光能納米車。主辦方供圖

未來等待年輕人創造

有了分子開關、分子馬達、分子車,是不是意味著以後就能像科幻片里一樣造出分子機器人,或是造出鋼鐵俠那樣的智能納米鎧甲?對此,費林加說,分子納米科學是一項基礎學科,目前還沒有非常成熟的應用。在微觀領域,還有很多規律需要科學家解釋和探索。

「我不是個工程師,我是分子科學家。雖然我們製造納米車,但我們還必須解釋這種車是如何移動的,光線是如何驅動它的。這就需要理論上的探索。」費林加告訴澎湃科技,「我們做了很多計算,解釋為什麼有的馬達轉得快,有的轉得慢,有的需要藍光碟機動,有的需要紅光。」

從科學基礎研究到具體應用往往是一個漫長的過程。「比如智能手機,它背後的基本科學發現在70年前已經大致完成,但它花了50年才發展起來。」費林加舉例道,「這將需要很長時間,也需要很多學科的共同努力與合作。」

費林加認為,只有做好基礎研究,才能一步步朝某種未來前進,而非本末倒置。「50年後,或許我們的醫生能夠往病人身體里注入分子機器人,它們會自動治癒疾病。但我是個科學家,我不太擅長預測未來。」他說,「對我來說,預測未來的最好方法就是創造未來。今天我展示了分子馬達和分子車,它們能做各種各樣的動作,這是我能做的——這就是未來。」

費林加提到,創造未來的是年輕人,「我看到很多具有才能的年輕人,他們將發現我們的未來,並使之成為可能。」

「對於年輕人我想說,發現你的天賦,追尋你的夢想,充滿自信。」他說,「發現你的能量是什麼,你的激情是什麼?好好想想自己的舒適圈在哪裡,你能把標準定得多高?有時候做一些有一點難度的事是很好的,你會感覺很好。」

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