这位诺奖得主，造出了世界上最小的汽车

荷兰化学家伯纳德·L·费林加因设计并合成了可以精确控制的分子马达获得2016年诺贝尔化学奖。图源：Frontiers for Young Minds

导读：

伯纳德·L·费林加（Ben L. Feringa）是分子机器领域的先锋之一，他通过设计和开发分子马达、分子机器人等微观系统，推动了化学、物理学和工程学的交叉发展。

受Frontiers for Young Minds邀请，诺贝尔化学奖得主费林加教授回顾了其在分子马达这一前沿领域的探索历程。他指出，正如莱特兄弟发明的飞机开启了人类航空史的新纪元，分子机器这一纳米尺度的精密装置也将在未来科技发展中扮演愈加重要的角色。

伯纳德·L·费林加（Ben L. Feringa） | 撰文

李研 | 翻译

大自然在构建微型机器方面简直令人惊叹。这些机器在许多生命过程中发挥着重要的作用。例如，我们的眼睛中数百万个微型开关，使我们能够看到彼此；我们的细胞中也有微小的马达，负责泵送物质进出并产生能量。在荷兰的实验室里，我和我的学生们对制造受大自然启发的微小分子机器充满热情。我们成功开发了多种功能的分子开关和分子马达，更研制出了世界上首辆分子尺度的纳米汽车！这些分子机器可以用于改善人类健康、推动技术进步，并开创前所未有的新型功能材料。在这篇文章中，我将分享我们如何构建这些分子机器，并带你一窥它们如何改善我们的生活。

伯纳德·L·费林加与让-皮埃尔·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）和詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart，参见文章：纪念我的导师司徒塔特先生）三位教授共同获得了2016年诺贝尔化学奖，以表彰他们在分子机器的设计与合成方面的贡献。

SAIXIANSHENG

微型机器——大自然与实验室的奇迹

你可知道，每一刻，数不胜数的分子机器正在你体内悄然运转？这些机器赋予你运动、感知的能力，为细胞提供所需的能量。举例来说，在你的眼睛中，存在着数以百万计的微小分子开关，敏锐地感应光线。当光线照射到这些微型开关上时，它们便会被激活，向大脑发送电信号，使得我们能够看见彼此，看到周围的世界。

图1: 分子开关是一种微小的分子，能够在受到刺激时在不同状态之间切换。最简单的开关有两种状态：“开”和“关”，就像你家中的电灯开关一样。

从童年起，我就深受大自然之美的启发。我喜欢观察自然，从中汲取智慧，并运用这些知识创造新颖、有益的事物。大学期间，我非常幸运地在实验室里创造了我的第一个分子！得知自己创造了一个从未存在过的分子，那种兴奋和激动难以言表。我开始对利用化学知识创造分子产生兴趣，希望这些分子能够模仿自然界创造的生物机器。这引领我踏上了一段漫长的探索之旅，最终，我成功组装出了有史以来最小的汽车。

SAIXIANSHENG

在实验室中构建分子

在荷兰的实验室里，我们构建微小的分子并研究它们的特性。这些分子的大小难以想象。如果你将两根手指尽可能地靠近，直到它们之间只能容下一丝光线，这就是1毫米的宽度。而我们构建的分子只有纳米（nm）大小，1纳米是你手指间缝隙的100万分之一！

构建分子有点像用乐高积木搭建一座美丽的城堡。我们以最小的分子为基础，通过化学反应移除或添加某些部分，然后利用其他反应将这些分子组合在一起，构建更大的分子。本质上，我们是在打破和创建构成分子的原子之间的键。通过“摆弄”这些分子积木，我们可以创造出前所未有的新分子。

我们合成分子通常是为了特定的用途，例如为汽车涂装设计漂亮的颜色，或为治疗疾病开发有效的药物。我们常借助计算机，帮助我们确定应该使用哪些原子和反应，以设计新分子。即使有计算机的辅助，预测新分子的特性仍然非常困难，许多分子常常不会完全符合我们想要的特性。有时这种“错误”实际上是一件好事，因为它可以帮助我们发现未曾预料到的特性。另外一些时候，我们必须不断调整分子的结构，直到最终创造出理想的特性。

制造出新分子后，我们会对它们进行测量，深入了解它们的行为，包括单独的分子，还有成群的分子（想象一下，研究一勺糖和其中单个糖分子的行为）。先进的实验室设备可以来帮助我们研究分子的结构和行为，包括一种非常强大的显微镜，称为扫描隧道显微镜（STM）。STM的针尖只有一个原子大小。你能想象吗？借助STM和其他先进设备，我们可以确定分子是否具有我们期望的三维形状，是否具备所需的特性（例如，正确的颜色、硬度或粘性）。虽然有时我们需要多次尝试，但最终会创造出合适的分子，拥有理想的特性。

SAIXIANSHENG

能够移动的分子——从开关、马达到汽车

我们实验室对能动的分子情有独钟，能动的分子就像身体中的分子机器一样。我们甚至尝试给那些通常静止的材料（如塑料和玻璃）制造“运动版”，让它们也动起来。想象一下，如果你们家卧室的窗户或汽车玻璃能够自我清洁，那该有多酷？一种简单的分子运动涉及在两种状态之间的切换，就像眼睛中的分子开关一样。为了创造这种运动，我们设计了一种分子，其上部可以通过光来进行“翻转”[1]。想象一下在“右手”和“左手”状态之间切换（图2）——一种颜色的光将“右手”状态切换到“左手”状态，另一种颜色的光将“左手”状态切换回“右手”状态。这种类型的分子可以用于计算机的数字信息存储（正如你所知，信息有“1”和“0”两种状态。通常，1和0通过硅制成的晶体管组件中的不同电压来实现，使用具有两种状态的分子开关，也可以实现类似的“1”和“0”状态）。

图2:合成分子开关。在实验室中，我们设计了像开关一样的分子。利用光，我们可以将这些分子从“右手状态”切换到“左手状态”，然后再切换回来。这种分子可以应用于多种技术，包括在计算机中存储数字信息。

一旦能够构建在两种状态之间移动的分子开关，我们希望进一步研究更复杂的运动，那便是旋转马达的舞步。旋转马达是一种机器，它通过某种燃料驱动，朝一个方向旋转，以此产生所期望的产物。在我们的细胞中，微小的旋转马达负责制造ATP，为细胞提供能量的分子。受这一自然旋转的马达的启发，我们尝试创造一种合成的旋转马达，它通过光（来自灯或太阳）驱动，不断朝一个方向连续旋转，就像奔跑的汽车轮胎。这项任务充满挑战，因为控制分子的运动方向很困难。如果不受控制，分子就会疯狂地四处奔走。因此，要让分子的运动连续、平稳，是一个巨大挑战。

为了实现这种运动，我们必须精确构建分子的三维结构。就像汽车中的马达一样，我们的分子马达也需要一根轴和围绕轴旋转的部分。经过多次试验和失败，我们成功构建出一个分子，它可以在每个步骤旋转90度，四步后完成360度旋转，[2]（参见视频1）。第一步和第三步需要光的帮助，光会破坏分子中的某个键，使旋转的部分能够围绕轴旋转。第二步和第四步自然发生，无需光照，分子自高能态“放松”到低能态。

，时长00:14

视频1：分子旋转马达在接受光照之后可以完成360度旋转，因为光会破坏分子中的键。

我们最初的旋转马达分子，每小时旋转一次，还不到1纳米大小。通过改变其形状和键的特性，我们最终实现了每秒1000万次的旋转速度！在摆弄这些分子马达时，我的学生提出了一个具有挑战性的问题——能否将它们的旋转运动转化为前进的动力，就像汽车那样？

我对这个想法感到兴奋，告诉我的学生，我们应该构建一辆四轮驱动的纳米汽车[3]。四个分子马达将作为我们的四个轮子，我们想办法将它们连接到汽车的框架（也就是底盘）。为此，我们首先构建了一半底盘，并将两个轮子连接上去，然后构建了另一半底盘，连接上另外两个轮子。最后，我们将两半连接起来，得到了整辆汽车。最重要的是，我们必须确保“轮子”旋转的方向正确。经过这番努力，我们创造出了世界上最小的纳米车（参见视频2）！

，时长00:05

视频2：世界上最小的纳米车

在解决了这个挑战后，我们创建了一条纳米汽车的生产线，可以用来制造各种尺寸和速度的纳米车。

SAIXIANSHENG

自清洁汽车与智能药物

既然我们有了分子开关、分子马达和分子汽车，我们能用它们做些什么呢？一般来说，分子机器让我们能够设计出一些材料，通过改变结构和功能，来应对某些刺激[4]。例如，自清洁或自修复材料，通过内部运动能清除灰尘或修复裂缝与其他损伤。想象一下，这些材料被用来制造一辆永远不需要清洗的车，还能自动修复车门上的划痕和擦伤！同样的能力在其他情况下也非常有用，例如自清洁的太阳能电池板，或自修复智能手机屏幕。

我们还可以使用响应性材料来改进药物，创造所谓的智能药物[5]。普通药物通常分布在全身并在各处起作用，与之不同的是，智能药物只在我们希望它们起作用的时间和地点才被激活。分子开关可以附着在药物上，这样我们只有在用光照射时才能“启动”药物。通过这种方法，我们可以避免药物在体内和环境中的不良反应。例如，具有这种特性的抗生素可以帮助避免耐药性的产生，而这是一个严重的问题。我们还可以设想微型的分子汽车在体内巡游，让身体保持健康，例如通过将特定药物运输到需要的特定区域（图3）。

图3：我们可以使用微型分子汽车来改善健康吗？未来，可能会有微型分子汽车在我们的身体中穿行，在身体内需要药物的特定位置释放药物。

当莱特兄弟在1903年进行他们的第一次历史性飞行时，我想没有人会预测到，仅仅100年后，数百万人穿梭于全球。尽管我们今天使用的飞机比莱特兄弟发明的第一架飞机复杂得多，但仍然基于相同的原理。

对于分子机器领域，我也抱有同样的愿景。未来，我们的早期构想将得到发展，应用于许多我们如今无法想象的技术。作为化学家，我们的一部分工作是发挥创意，构建我们自己的分子世界，发明新的事物。发现的过程通常充满挑战，因为我们正跋涉在未知的疆土。随着时间的推移，我领悟到即使科学进展艰难，也要保持信心，因为这份挣扎可能引领我们走向壮丽的成果。我知道你们每个人都有非凡的才能，希望你们能享受这份才华。追随你的梦想，相信自己能够实现。

致谢:

我要感谢Or Raphael，他是本文的作者之一，他对我的采访也是本文的基础。感谢Alex Bernstein提供了图表。采访是在以色列科学与人文学院的协助下进行的。感谢该学院科学部门经理DYael Ben Haim博士的支持，他也邀请我到以色列访问。

作者简介：

伯纳德·L·费林加 （Ben L. Feringa）在荷兰格罗宁根大学完成了化学专业的本科和研究生学业。随后，他在同一所大学获得了博士学位，师从Hans Wynberg教授。1978年至1984年间，他曾在荷兰壳牌公司以及英国壳牌生物科学中心担任研究科学家。之后，他加入格罗宁根大学担任教职，目前领导着一个专注于动态分子系统的研究小组，研究方向包括分子开关、分子马达以及分子纳米车。在他的职业生涯中，费林加获得了众多奖项，包括Koerber欧洲科学奖（2003年）、荷兰最高科学奖Spinoza奖、Prelog金奖、美国化学会Norrish奖、英国皇家化学会有机立体化学奖、洪堡奖（2012年）、玛丽·居里奖章（2013年）、名古屋金奖（2013年）以及诺贝尔化学奖（2016年）。费林加与妻子贝蒂·费林加育有三个女儿，现居住在荷兰格罗宁根附近的一个村庄。

小审稿人：

卡拉（CARLA），15岁

桑基斯（SANKEETH），15岁

参考文献：（上下滑动可浏览）

1. Feringa, B. L., Van Delden, R. A., Koumura, N., and Geertsema, E. M. 2000.

Chiroptical molecular switches. Chem. Rev. 100:1789–816. doi: 10.1021/cr9900228

2. Koumura, N., Zijlstra, R. W., van Delden, R. A., Harada, N., and Feringa, B. L. 1999. Light-driven monodirectional molecular rotor. Nature 401:152–5. doi: 10.1038/43646

3. Kudernac, T., Ruangsupapichat, N., Parschau, M., Maciá, B., Katsonis, N., Harutyunyan, S. R., et al. 2011. Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. Nature 479:208–11. doi: 10.1038/nature10587

4. Feringa, B. L. 2020. Vision statement: materials in motion. Adv. Mater. 32:1906416. doi: 10.1002/adma.201906416

5. Wegener, M., Hansen, M. J., Driessen, A. J., Szymanski, W., and Feringa, B. L. 2017. Photocontrol of antibacterial activity: shifting from UV to red light activation. J. Am. Chem. Soc. 139:17979–86. doi: 10.1021/jacs.7b09281

本文封面图：© University of Groningen

原文链接：

https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2023.1275644?utm_source=wechat_sci&utm_medium=social&utm_content=nobelarticle_V4BF&utm_campaign=frymartpromchn

关于Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds 创刊于 2013 年，是 Frontiers 专门为青少年创办的科学期刊，也是 Frontiers 花费多年心血培育的纯公益项目。它的运作模式和科技期刊完全相同，旨在从青少年时代培养孩子们的科学思维，并提供与世界一流科学家交流的机会。编辑部邀请世界一流科学家用适合青少年阅读的语言改写学术文章，在经过 8-15 岁青少年评审后方可发表。任何读者可以随时登录官网，免费阅读和下载期刊中的文章。

截至目前，有大约 8,000 名青少年审稿人参与评审，约 650 名科学导师指导他们的审稿流程。这些经青少年审阅发布的文章，收获了来自 230 余个国家/地区超 3,900 万次浏览。

Frontiers for Young Minds 自 2021 年起邀请诺贝尔奖得主为全球青少年撰写科学文章，目前已有 30 位诺贝尔奖得主的文章发表。Frontiers for Young Minds 发布的所有研究都基于坚实的循证科学研究，包含神经科学与心理学、地球科学、天文与物理、人体健康、生物多样性、数学与经济、化学与材料、工程与技术等多个版块。