這位諾獎得主，造出了世界上最小的汽車

荷蘭化學家伯納德·L·費林加因設計併合成了可以精確控制的分子馬達獲得2016年諾貝爾化學獎。圖源：Frontiers for Young Minds

導讀：

伯納德·L·費林加（Ben L. Feringa）是分子機器領域的先鋒之一，他透過設計和開發分子馬達、分子機器人等微觀系統，推動了化學、物理學和工程學的交叉發展。

受Frontiers for Young Minds邀請，諾貝爾化學獎得主費林加教授回顧了其在分子馬達這一前沿領域的探索歷程。他指出，正如萊特兄弟發明的飛機開啟了人類航空史的新紀元，分子機器這一奈米尺度的精密裝置也將在未來科技發展中扮演愈加重要的角色。

伯納德·L·費林加（Ben L. Feringa） | 撰文

李研 | 翻譯

大自然在構建微型機器方面簡直令人驚歎。這些機器在許多生命過程中發揮著重要的作用。例如，我們的眼睛中數百萬個微型開關，使我們能夠看到彼此；我們的細胞中也有微小的馬達，負責泵送物質進出併產生能量。在荷蘭的實驗室裡，我和我的學生們對製造受大自然啟發的微小分子機器充滿熱情。我們成功開發了多種功能的分子開關和分子馬達，更研製出了世界上首輛分子尺度的奈米汽車！這些分子機器可以用於改善人類健康、推動技術進步，並開創前所未有的新型功能材料。在這篇文章中，我將分享我們如何構建這些分子機器，並帶你一窺它們如何改善我們的生活。

伯納德·L·費林加與讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）和詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（James Fraser Stoddart，參見文章：紀念我的導師司徒塔特先生）三位教授共同獲得了2016年諾貝爾化學獎，以表彰他們在分子機器的設計與合成方面的貢獻。

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微型機器——大自然與實驗室的奇蹟

你可知道，每一刻，數不勝數的分子機器正在你體內悄然運轉？這些機器賦予你運動、感知的能力，為細胞提供所需的能量。舉例來說，在你的眼睛中，存在著數以百萬計的微小分子開關，敏銳地感應光線。當光線照射到這些微型開關上時，它們便會被啟用，向大腦傳送電訊號，使得我們能夠看見彼此，看到周圍的世界。

圖1: 分子開關是一種微小的分子，能夠在受到刺激時在不同狀態之間切換。最簡單的開關有兩種狀態：“開”和“關”，就像你家中的電燈開關一樣。

從童年起，我就深受大自然之美的啟發。我喜歡觀察自然，從中汲取智慧，並運用這些知識創造新穎、有益的事物。大學期間，我非常幸運地在實驗室裡創造了我的第一個分子！得知自己創造了一個從未存在過的分子，那種興奮和激動難以言表。我開始對利用化學知識創造分子產生興趣，希望這些分子能夠模仿自然界創造的生物機器。這引領我踏上了一段漫長的探索之旅，最終，我成功組裝出了有史以來最小的汽車。

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在實驗室中構建分子

在荷蘭的實驗室裡，我們構建微小的分子並研究它們的特性。這些分子的大小難以想象。如果你將兩根手指儘可能地靠近，直到它們之間只能容下一絲光線，這就是1毫米的寬度。而我們構建的分子只有奈米（nm）大小，1奈米是你手指間縫隙的100萬分之一！

構建分子有點像用樂高積木搭建一座美麗的城堡。我們以最小的分子為基礎，透過化學反應移除或新增某些部分，然後利用其他反應將這些分子組合在一起，構建更大的分子。本質上，我們是在打破和建立構成分子的原子之間的鍵。透過“擺弄”這些分子積木，我們可以創造出前所未有的新分子。

我們合成分子通常是為了特定的用途，例如為汽車塗裝設計漂亮的顏色，或為治療疾病開發有效的藥物。我們常藉助計算機，幫助我們確定應該使用哪些原子和反應，以設計新分子。即使有計算機的輔助，預測新分子的特性仍然非常困難，許多分子常常不會完全符合我們想要的特性。有時這種“錯誤”實際上是一件好事，因為它可以幫助我們發現未曾預料到的特性。另外一些時候，我們必須不斷調整分子的結構，直到最終創造出理想的特性。

製造出新分子後，我們會對它們進行測量，深入瞭解它們的行為，包括單獨的分子，還有成群的分子（想象一下，研究一勺糖和其中單個糖分子的行為）。先進的實驗室裝置可以來幫助我們研究分子的結構和行為，包括一種非常強大的顯微鏡，稱為掃描隧道顯微鏡（STM）。STM的針尖只有一個原子大小。你能想象嗎？藉助STM和其他先進裝置，我們可以確定分子是否具有我們期望的三維形狀，是否具備所需的特性（例如，正確的顏色、硬度或粘性）。雖然有時我們需要多次嘗試，但最終會創造出合適的分子，擁有理想的特性。

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能夠移動的分子——從開關、馬達到汽車

我們實驗室對能動的分子情有獨鍾，能動的分子就像身體中的分子機器一樣。我們甚至嘗試給那些通常靜止的材料（如塑膠和玻璃）製造“運動版”，讓它們也動起來。想象一下，如果你們家臥室的窗戶或汽車玻璃能夠自我清潔，那該有多酷？一種簡單的分子運動涉及在兩種狀態之間的切換，就像眼睛中的分子開關一樣。為了創造這種運動，我們設計了一種分子，其上部可以透過光來進行“翻轉”[1]。想象一下在“右手”和“左手”狀態之間切換（圖2）——一種顏色的光將“右手”狀態切換到“左手”狀態，另一種顏色的光將“左手”狀態切換回“右手”狀態。這種型別的分子可以用於計算機的數字資訊儲存（正如你所知，資訊有“1”和“0”兩種狀態。通常，1和0透過矽製成的電晶體元件中的不同電壓來實現，使用具有兩種狀態的分子開關，也可以實現類似的“1”和“0”狀態）。

圖2:合成分子開關。在實驗室中，我們設計了像開關一樣的分子。利用光，我們可以將這些分子從“右手狀態”切換到“左手狀態”，然後再切換回來。這種分子可以應用於多種技術，包括在計算機中儲存數字資訊。

一旦能夠構建在兩種狀態之間移動的分子開關，我們希望進一步研究更復雜的運動，那便是旋轉馬達的舞步。旋轉馬達是一種機器，它透過某種燃料驅動，朝一個方向旋轉，以此產生所期望的產物。在我們的細胞中，微小的旋轉馬達負責製造ATP，為細胞提供能量的分子。受這一自然旋轉的馬達的啟發，我們嘗試創造一種合成的旋轉馬達，它透過光（來自燈或太陽）驅動，不斷朝一個方向連續旋轉，就像奔跑的汽車輪胎。這項任務充滿挑戰，因為控制分子的運動方向很困難。如果不受控制，分子就會瘋狂地四處奔走。因此，要讓分子的運動連續、平穩，是一個巨大挑戰。

為了實現這種運動，我們必須精確構建分子的三維結構。就像汽車中的馬達一樣，我們的分子馬達也需要一根軸和圍繞軸旋轉的部分。經過多次試驗和失敗，我們成功構建出一個分子，它可以在每個步驟旋轉90度，四步後完成360度旋轉，[2]（參見影片1）。第一步和第三步需要光的幫助，光會破壞分子中的某個鍵，使旋轉的部分能夠圍繞軸旋轉。第二步和第四步自然發生，無需光照，分子自高能態“放鬆”到低能態。

影片1：分子旋轉馬達在接受光照之後可以完成360度旋轉，因為光會破壞分子中的鍵。

我們最初的旋轉馬達分子，每小時旋轉一次，還不到1奈米大小。透過改變其形狀和鍵的特性，我們最終實現了每秒1000萬次的旋轉速度！在擺弄這些分子馬達時，我的學生提出了一個具有挑戰性的問題——能否將它們的旋轉運動轉化為前進的動力，就像汽車那樣？

我對這個想法感到興奮，告訴我的學生，我們應該構建一輛四輪驅動的奈米汽車[3]。四個分子馬達將作為我們的四個輪子，我們想辦法將它們連線到汽車的框架（也就是底盤）。為此，我們首先構建了一半底盤，並將兩個輪子連線上去，然後構建了另一半底盤，連線上另外兩個輪子。最後，我們將兩半連線起來，得到了整輛汽車。最重要的是，我們必須確保“輪子”旋轉的方向正確。經過這番努力，我們創造出了世界上最小的奈米車（參見影片2）！

影片2：世界上最小的奈米車

在解決了這個挑戰後，我們建立了一條奈米汽車的生產線，可以用來製造各種尺寸和速度的奈米車。

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自清潔汽車與智慧藥物

既然我們有了分子開關、分子馬達和分子汽車，我們能用它們做些什麼呢？一般來說，分子機器讓我們能夠設計出一些材料，透過改變結構和功能，來應對某些刺激[4]。例如，自清潔或自修復材料，透過內部運動能清除灰塵或修復裂縫與其他損傷。想象一下，這些材料被用來製造一輛永遠不需要清洗的車，還能自動修復車門上的劃痕和擦傷！同樣的能力在其他情況下也非常有用，例如自清潔的太陽能電池板，或自修復智慧手機螢幕。

我們還可以使用響應性材料來改進藥物，創造所謂的智慧藥物[5]。普通藥物通常分佈在全身並在各處起作用，與之不同的是，智慧藥物只在我們希望它們起作用的時間和地點才被啟用。分子開關可以附著在藥物上，這樣我們只有在用光照射時才能“啟動”藥物。透過這種方法，我們可以避免藥物在體內和環境中的不良反應。例如，具有這種特性的抗生素可以幫助避免耐藥性的產生，而這是一個嚴重的問題。我們還可以設想微型的分子汽車在體內巡遊，讓身體保持健康，例如透過將特定藥物運輸到需要的特定區域（圖3）。

圖3：我們可以使用微型分子汽車來改善健康嗎？未來，可能會有微型分子汽車在我們的身體中穿行，在身體內需要藥物的特定位置釋放藥物。

當萊特兄弟在1903年進行他們的第一次歷史性飛行時，我想沒有人會預測到，僅僅100年後，數百萬人穿梭於全球。儘管我們今天使用的飛機比萊特兄弟發明的第一架飛機複雜得多，但仍然基於相同的原理。

對於分子機器領域，我也抱有同樣的願景。未來，我們的早期構想將得到發展，應用於許多我們如今無法想象的技術。作為化學家，我們的一部分工作是發揮創意，構建我們自己的分子世界，發明新的事物。發現的過程通常充滿挑戰，因為我們正跋涉在未知的疆土。隨著時間的推移，我領悟到即使科學進展艱難，也要保持信心，因為這份掙扎可能引領我們走向壯麗的成果。我知道你們每個人都有非凡的才能，希望你們能享受這份才華。追隨你的夢想，相信自己能夠實現。

致謝:

我要感謝Or Raphael，他是本文的作者之一，他對我的採訪也是本文的基礎。感謝Alex Bernstein提供了圖表。採訪是在以色列科學與人文學院的協助下進行的。感謝該學院科學部門經理DYael Ben Haim博士的支援，他也邀請我到以色列訪問。

作者簡介：

伯納德·L·費林加（Ben L. Feringa）在荷蘭格羅寧根大學完成了化學專業的本科和研究生學業。隨後，他在同一所大學獲得了博士學位，師從Hans Wynberg教授。1978年至1984年間，他曾在荷蘭殼牌公司以及英國殼牌生物科學中心擔任研究科學家。之後，他加入格羅寧根大學擔任教職，目前領導著一個專注於動態分子系統的研究小組，研究方向包括分子開關、分子馬達以及分子奈米車。在他的職業生涯中，費林加獲得了眾多獎項，包括Koerber歐洲科學獎（2003年）、荷蘭最高科學獎Spinoza獎、Prelog金獎、美國化學會Norrish獎、英國皇家化學會有機立體化學獎、洪堡獎（2012年）、瑪麗·居里獎章（2013年）、名古屋金獎（2013年）以及諾貝爾化學獎（2016年）。費林加與妻子貝蒂·費林加育有三個女兒，現居住在荷蘭格羅寧根附近的一個村莊。

小審稿人：

卡拉（CARLA），15歲

桑基斯（SANKEETH），15歲

參考文獻：（上下滑動可瀏覽）

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

原文連結：

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

關於Frontiers for Young Minds

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