瑞典皇家科學院宣布了2016年諾貝爾化學獎的獲得者名單，法國科學家讓－皮埃爾·索瓦日、美國科學家弗雷澤·斯托達特、荷蘭科學家伯納德·費林加三位科學家，因為在分子機器設計與合成領域的貢獻，將共同分享800萬瑞典克朗（約合93.33萬美元）的諾貝爾獎金。

　　諾貝爾化學獎2016年授予讓 - 皮埃爾·索維奇，J·弗雷澤·斯托達特爵士，以及伯納德·L·費林加。他們做出了只有頭發絲千分之一粗細的分子機器。他們成功地將分子連在一起，共同設計了包括微型電梯、微型電機還有微縮肌肉結構在內的所有分子機器。

　　讓-皮埃爾·薩維奇，1944年生于法國巴黎。1971年獲法國斯特拉斯堡大學博士學位。現任斯特拉斯堡大學名譽教授，及法國國家科學院名譽研究主管。

　　J.弗雷澤·斯托達特爵士，1942年生于英國愛丁堡，1966年獲英國愛丁堡大學博士學位，現任美國西北大學的董事會化學教授。

　　伯納德·L·費林加，1951年生于荷蘭巴杰-康帕坎。1978年獲荷蘭格羅寧根大學博士學位，現任格羅寧根大學有機化學教授。

　　魏飛：這是納米研究的新方向

　　魏飛，清華大學化學工程系教授，主要研究領域為氣固多相反應及納米材料制備，清潔能源化工工藝及其工程化。

　　這是納米研究的一個新的方向，像這樣一類的可以通過化學的辦法去做可動的東西，通過自下而上的方法去做機器的這種手段，在以前化學獎里面是沒有的，所以我倒覺得這是一個很大的突破，諾貝爾化學獎還是重視基礎的，這件事兒很重要。

　　王永亭：基礎研究得獎很贊

　　王永亭，上海交通大學生物醫學工程學院教授，主要進行腦損傷修復相關的研究。

　　今年的獲獎研究我的理解，是用化學合成的方法，制備有功能的結構，讓化學分子間連接起來產生可預測的運動。

　　有機化學領域我不熟悉，感覺強調了獲獎科學家們能夠制作微觀機器有未來應用潛力，諾獎是了解自己不熟悉領域的好機會。基礎研究得獎很贊，很高興有機會復習有機化學。

　　白鳥：化學獎這次是真正的化學獎啦

　　白鳥，天津理工大學環境學院副教授，科學松鼠會成員

　　看諾貝爾獎的官方說明，獲獎的這三個人相當于開創了利用超分子進行自組裝的領域，Sauvage首先實現了兩個環狀分子的自連接，接下來Stoddart實現了利用一個分子推動另一個分子運動，隨后Feringa開發出了分子馬達。這三方面的工作共同實現了將分子由穩態變為能夠運動的狀態，并初步實現了對其的控制。簡單說，就是通過人為的設計讓超大分子實現了可控的結構變化和運動吧。可以說這是一個基礎研究，如果做好的話也很好玩啊，比如納米機器人、生物計算機（而且還不用是二進制）什么的。化學獎這次終于不用被說是被物理獎或生理獎鳩占鵲巢了。

　　崔強：看來諾獎評判標準也在努力改變

　　崔強，美國威斯康星大學化學系教授，從事理論和計算化學，生物物理方向相關研究。

　　分子馬達？？基礎科學！我們剛才還在預測說“分子馬達、分子機器”太前沿。看來諾獎評判也在努力改變。支持基礎科學！

　　馬明明：比較驚訝

　　馬明明，中國科學技術大學化學系教授，主要從事超分子化學和有機功能材料的研究。

　　超分子化學第一次得獎是在1987年，這是第二次。Jean-PierreSauvage是J.-M.Lehn的學生，后者于1987年的獲得了諾貝爾化學獎，今年三位諾獎化學獎都是有機化學家。Lehn是目前超分子化學第一次諾獎得主中唯一健在的，和Lehn同時代的化學諾獎得主還在世的很少了。他的影響力非常大，應該對這次超分子得獎有重要貢獻。　　這個領域可能對很多人來說還比較陌生，我自己其實是做超分子化學的，但是對他們三位能得獎也比較驚訝，這個領域目前來看還沒有特別多的應用，對化學其他領域的影響也沒有特別大。可能諾貝爾獎評獎委員會看中的是這個領域未來的應用前景，就像87年化學獎得主萊恩（Jean Marie Lehn）說的，超分子化學未來可能升級為超分子科學，是整個化學未來的一個重大的發展方向。

　　而且這三位科學家所做的事情把傳統的有機分子和現在非常火熱的納米技術在一定程度上聯系了起來，另一方面超分子化學可以解決化學和生物方面的關聯。

　　但就目前而言，這些納米機器離應用還非常非常遠。倒是科幻電影里非常多，估計評委們都喜歡黑客帝國類型的科幻片。

　　沒得獎的領域的大牛應該很開心，因為還有機會。

　　我個人覺得超分子化學復雜程度介于化學和生物之間，應該說比目前有機化學的復雜程度高了不止一個量級，這個得獎應該說是諾貝爾評獎委員會希望大家能夠給往這個方向發展，多多關注它，但這個這個方向就近期而言還是以基礎研究為主。

　　孔學謙：太意外了，太意外了

　　孔學謙，”***計劃“特聘研究員、博導、浙江大學化學系，主要研究核磁共振技術在化學和材料領域的應用。

　　這是目前非常熱門的超分子化學的類別。超分子在自然界是始終存在的，就是分子利用弱相互作用力“組合在一起”，讓整體產生原來單個分子所不具備的能力。DNA分子就是一個超分子。三位獲獎者做的事情就是去設計這樣的分子來實現原來天然分子不具備的能力。但是人工利用這種超分子的性質來人工設計分子是近幾年才興起的一個方向，還是一個年輕的領域，將來會發展成什么樣還不知道。也許這是諾獎委員會想要刺激這個領域的發展吧。

　　我覺得這個領域將來真能發展起來的話會有非常廣闊的前景，不光是分子馬達，還比如分子的自組裝，分子的響應。比如智能分子，能在不同的環境下做出不同的響應，這樣的分子也是很有可能被設計出來的。潛在的應用包括分子開關，分子肌肉，分子機器人，分子everything。

　　所以這個這個諾獎里面有兩個關鍵的發現—一個是超分子，通過靜電作用或者氫鍵或者范德華力將多個分子組裝起來；第二點就是讓這些分子以一個整體來進行運動，是有效的運動而不是隨機的運動，將外部的能量轉化為機械能。

　　還有很長的路要走，希望這個諾獎能推動這個領域發展。

　　我覺得作為一個科學家如果自己的領域得到諾貝爾獎會非常開心，因為這意味著你的領域會有一個大發展。然而沒有得獎說不定是更好的機會，也許下一次諾貝爾獎就是你的領域。諾獎只代表了諾獎評委的口味，真正好的科學沒有諾獎也一樣重要，畢竟科學家并不是為了諾獎而工作，追求的是自己的好奇心和使命感。

　　不在于誰得獎，在于越來越多的人關注科學，積極參與科學實踐，以后咱們國家自己的諾獎就有希望。

　　2016諾貝爾化學獎解讀

　　你可以把機器做到多小？諾貝爾獎獲得者理查德·費曼在50年代就預測到了納米技術的發展，他在1984年在一次富有遠見的演講中提出了這個問題。他赤著腳，穿著粉紅色的polo衫和米色短褲，轉向觀眾說：“現在我們來談談，制造極其微小的、有可移動部件的機器的可能性。”

　　他相信，在納米尺度下打造機器是可能的。這在自然界是存在的。他舉了細菌鞭毛為例，這些葡萄酒開瓶器形狀的大分子不斷旋轉，推動著細菌前進。但人類可不可以用自己的巨大雙手，制造如此之小、需要電子顯微鏡才能看的機器呢？

　　未來的愿景：分子機器將25~30年之內出現

　　一種可能的方法，是做一臺比人類自己的手更小的機械，然后用這新的“手”再做更小的手，然后再做更更小的手，如此這般，直到能用微型手造同樣微型的機械。費曼說，有人試過，但不太管用。

　　另一種理查德·費曼覺得更靠譜的策略，是自下而上地建造機械。在他的理論構想中，不同的物質，比如硅，可以被噴灑到同一個表面上，一層原子疊一層原子。之后，一些層被部分溶解并除去，形成可以使用電流來控制的移動部件。在費曼對于未來的展望中，這樣的結構可以用來做一個微型攝像機的快門。

　　講座的目的是啟發當時聽眾中的研究人員，讓他們檢驗他們所相信的東西的極限在哪里。最后費曼合上他的筆記本，看向聽眾，俏皮地說：“…你們可以試試看，能否重新設計你們熟悉的各種機器，這個過程肯定很愉快。25~30年之內，應該會有一些這方面的實際應用。但它具體是什么，我不知道。”

　　費曼和當時聽眾中的研究人員都不知道，那時分子機械的研究已經走出了第一步，而且方式和費曼預測的相當不同。

　　用機械力鎖起分子

　　在20世紀中期，為了制造越來越復雜的分子，化學家們試著去創造分子鎖鏈——讓環狀分子能夠互相連接。如果有人能成功做到這一點，將不僅意味著一種驚人的新分子誕生，于此同時也創造了一種全新的化學鍵。正常情況下，分子們是被強力的共價鍵維系的，原子在其中共享電子。而這一夢想則想要以機械鍵取而代之，讓分子們得以互相連鎖而其原子卻不直接發生相互作用（圖1） 。

　　在20世紀的50和60年代，一些研究小組報告過在他們的試管中制出了分子鎖鏈，然而他們所生產的數量很小，而方法又過于復雜，因此用途有限。人們更多地視這些成就為好奇探索，而非有功能的化學。在多年挫折之后，許多人都放棄了希望，到了80年代初期，這個領域充滿了厭倦情緒。然而，重大突破卻于1983年出現了。用一個普通的銅離子，一個由讓-皮埃爾·薩維奇所帶領法國的研究團隊就掌控了分子。

　　讓-皮埃爾·索維奇把分子聚集在一個銅離子周圍

　　在科學研究中，靈感常常來自完全不同的領域。讓-皮埃爾·索維奇的研究領域是光化學，這個領域的化學家試圖開發能夠捕獲太陽能并用它驅動化學反應的分子復合物。當索維奇建好了其中一個這樣的光化學分子模型之后，他突然間發現了這個模型與分子鏈的相似之處：一個核心銅離子周圍纏著兩個分子。

　　這靈光一閃使得讓-皮埃爾·索維奇的研究方向大轉。利用這一光化學復合物作為模型，他的研究組構建了一個環狀的分子和一個新月形的分子，并使這兩種分子能夠被銅離子吸引（圖1）；銅離子作為凝聚力讓這些分子呆在一起。接下來，研究組利用化學手段將新月形的分子和另一個分子“焊接”到一塊，這樣一來，另一個環就形成了——它與之前的環狀分子組成了鎖鏈的第一個環扣。這時，研究者能夠移走已經完成任務的銅離子。

　　圖1：讓-皮埃爾？索維奇利用銅離子的機械鍵來讓分子互鎖起來

　　化學家們會討論化學反應的“產率”：那些形成目標分子的反應物占初始反應物的百分比。之前，在嘗試構建結環分子的研究中，最成功的產率也只有幾個百分點。而在銅離子的幫助下，索維奇能夠將產率提高到驚人的42%。突然間，分子鏈不再只是純好玩的東西了。

　　有了這樣革命性的方法，索維奇復興了拓撲化學領域。在這一領域中，研究者們（經常借助金屬離子的）在越來越多的復合物結構中將分子互鎖——從長長的鏈到復雜的扭結。

　　讓-皮埃爾·索維奇和J.弗雷澤·斯托達特（我們很快會再談到他）是這一領域的領航者，他們的研究組構建出了各種文化標志的分子版本，諸如三葉結、所羅門結和博羅米恩環（圖2）。

　　圖2： a. 讓-皮埃爾·索維奇創造出了三葉結分子。這個標志在凱爾特十字、如尼石刻、對雷神之錘的描繪中都有出現；在基督教中，它代表著三位一體。b. J.弗雷澤·斯托達特構建的博羅米恩環。它在古代北歐文石畫上出現，同樣代表這三位一體。c. 斯托達特和索維奇構建的所羅門結分子，這個圖案象征著所羅門王的智慧。它在伊斯蘭常常被使用，也曾出現在羅馬馬賽克畫中。

　　不過，美觀的分子結只是2016年諾貝爾化學獎故事的旁支——回到分子機器上吧。

　　走出了邁向分子馬達的最初一步

　　讓-皮埃爾·索維奇很快意識到分子鎖鏈（稱為“索烴”，catenanes）并不只是一類新的分子。他認識到自己已經邁出了創造分子機器的第一步。為了讓機器完成一項任務，它必須包含能夠相互運作的若干部分。兩個互鎖的環就能夠滿足這個要求。1994年，讓-皮埃爾·索維奇的研究組又成功構建了一種索烴，它的其中一個環能在接受能量后受控繞另一個環旋轉。這是非生物分子機器的最初雛形。

　　另一個化學家構建了第二個分子機器雛形。這位化學家成長的地方，在蘇格蘭一個沒有電也沒有任何現代設施的農場。

　　弗雷澤·斯托達特把一個分子環串到了一個分子軸上

　　斯托達特小時候沒有電視看也沒有電腦玩兒。用來打發時間的是拼圖游戲，這就給了他一個化學家所需要的訓練：辨認形狀，發現它們可以怎樣組合在一起。他還被化學中的一種可能性所吸引，就是可以成為分子藝術家——雕琢出世界上從來沒有人見過形狀。

　　后來斯托達特開發出了讓他獲得2016年度諾貝爾獎的分子，利用的正是分子間的互相吸引。1991年他的團隊造出了一個開環，上面缺乏電子；還造出一根長棒（輪軸），這根軸上有兩處富集電子（圖3）。當這兩種分子在溶液中相遇時，缺電子的那個就會被有電子的那個吸引，于是環被套進了軸上，接下來把環加以閉合，讓環不會掉下來。于是他們以極高的產率得到了“輪烷”：一個環狀分子以機械作用套在一個軸上。

　　接下來斯托達特利用了環能在軸上移動的特性。加熱時，環會在軸的兩個富電子部分之間前竄后跳——就像一個微型梭。1994年，他們做到了完全控制其運動，使得它不再像置于其他化學系統中那樣只會自由隨機移動。　

　　圖3：斯托達特創造的“分子梭”，它以可控的方式在輪軸上移動

　　電梯，肌肉和迷你芯片

　　從1994年開始，斯托達特的研究團隊就使用各種輪烷來建構多種分子機器，包括電梯（2004年，見圖4），它可以將自己從表面上抬高0.7納米；還有人造肌肉（2005），其中輪烷能把一塊非常薄的金箔弄彎。

　　斯托達特還和其他研究者聯手開發了一種基于輪烷的計算機芯片，能儲存20kB的數據。現今計算機芯片中的晶體管已經十分微小，但是和輪烷基芯片一比都要算是巨型了。研究者相信分子計算機芯片能夠像硅片晶體管當年那樣，給計算機技術帶來又一次革命。

　　圖4：斯托達特的“分子電梯”

　　索維奇也在探尋輪烷的潛力。在2000年，他的團隊成功地將兩個環形分子串到了一起，形成了一個彈性結構，有點像人的肌肉中的細絲（圖5）。他們還造出了一種類似馬達一樣的東西，輪烷的圈在各個不同方向上交替旋轉。對于分子機械工程來說，重要的目標是制造出一個能夠在同一方向上持續旋轉的馬達。在1990年代，該領域的研究者們作出了許多不同的嘗試，但是最先沖過終線的是荷蘭人伯納德·L·費林加。

　　圖5：索維奇將兩個分子環串在一起，這個結構可以拉伸和回縮。

　　費林加建造了第一個分子馬達

　　和斯托達特相仿，費林加同樣成長在農場里，被化學中無窮無盡的創造可能性所吸引。就如他在一次采訪中所說：“也許化學的力量不在僅于理解，更在于創造，制造出前所未有的分子和材料……”

　　在1999年，當費林加建造出第一個分子馬達時，他用了若干妙計使得它只朝同一方向旋轉，并保持此方向不變。正常情況下，分子的運動是隨機的，一個旋轉的分子向左與向右轉動的概率大體相同。但費加林通過機械構建，設計出了一種分子，讓其只朝一個特定方向旋轉（圖6）。

　　圖6：當費林加創造出第一個分子馬達時，它的機械構造被設計成向特定方向旋轉的樣子。他的研究小組已經對馬達進行了優化，現在它的轉速達到了每秒1200萬。

　　分子由兩個小旋翼葉片般的結構組成，它們是兩個平面的化學結構，由一對碳碳雙鍵連接。每個葉片分別與一個甲基相連，它們和葉片一起如同棘輪般運作，迫使分子朝同一方向轉動。當分子被暴露在紫外線脈沖下時，一個旋翼葉片圍繞中心的雙鍵翻躍了180度。接著，棘輪運轉到位。當下一束脈沖到來時，葉片又再翻躍了180度。這個過程不斷重復，分子就一圈圈按照相同方向旋轉。

　　第一個分子馬達的速度并不快，但費林加的研究組對其進行了優化。在2014年，馬達的旋轉速度達到了每秒1200萬轉。2011年時，研究組還制造了一個四輪驅動納米車，一個分子底盤將四個馬達聯結在一起，當作車輪使用。當車輪旋轉時，納米車就在表面上向前行駛。

　　圖7：費林加的四輪分子車。

　　轉動小玻璃圓柱的分子馬達

　　在另一個激動人心的實驗中，本·費林加的研究團隊用分子馬達轉動了一個28微米長的玻璃圓柱（比分子馬達本身大10000倍）。在實驗中，他們將馬達納入液晶（一種具有晶體結構的液體）中。大概只有1%的液晶里有分子馬達，然而，當研究者開始讓它們轉動時，馬達的旋轉改變了液晶的結構。當研究者將玻璃圓柱放到液晶上時，它也開始因馬達的旋轉而旋轉。

　　可用于構建的分子工具箱

　　讓-皮埃爾·索維奇、弗雷澤·斯圖達特和本·費林加開創出了分子機器發展的道路，因此誕生的一系列化學結構，成了全世界研究者用來進一步創作的工具箱。其中最令人震撼的例子是一個可以抓取并連接氨基酸的分子機器人。它是2013年以輪烷為基礎建造出來的。

　　其他研究者已經在將分子馬達與長聚合物相連，從而使之形成精細糾纏的網絡。當分子馬達照到光時，它們就會將聚合物纏繞成混亂的一捆。通過這種方式，光能就被存儲在分子中。假如研究人員能找到辦法來重新利用這些能源，就能開發出一種新電池。當馬達纏起聚合物時，這種材料還會縮小，因此可以開發成受光控制的傳感器。

　　遠離平衡——邁向全新而充滿活力的化學

　　這些研究進展之所以能獲得2016年的諾貝爾化學獎，很重要的部分原因在于研究者驅動著分子系統遠離所謂的平衡態。所有的化學系統都會力圖達到平衡——一種低能量狀態——但這也是種僵局。我們可以舉出生命這個例子。當我們進食時，人體內的分子從食物中汲取能量，推動我們的分子系統遠離平衡，去向更高能量的狀態。生物大分子隨后再用這些能量來推動必不可少的化學反應，這樣身體才能存活。假如身體處在化學平衡態，我們就死得不能再死了。

　　和生命分子一樣，索維奇、斯托達特和費林加的人造分子系統能執行受控任務。化學因此向著全新世界邁出了第一步。時間已經清楚無誤地顯示出微型化對計算機科技有多大的革命性作用，而我們才剛剛看到微型化改變機械的第一階段而已。從發展的角度看，現在的分子馬達就相當于1830年代的電動馬達，那時的研究者會在實驗室里驕傲地展示各式各樣的旋轉曲柄和動輪，而絲毫不知這些東西將導向電動火車、洗衣機、風扇和食物料理機。

　　因此，費曼富有遠見地演講完32年后，我們仍然只能猜想我們面前有著多么令人激動的發展。但我們終于能明確回答他最初提出的那個問題——你能做出多小的機械？至少比頭發絲直徑小1000倍。