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今年化学诺奖爆了一个冷门? 且听化学家们热议

点评

科技传媒网 最新科技新闻 2016-10-06 02:03

今年化学诺奖爆了一个冷门? 且听化学家们热议,化学诺奖

与诺贝尔生理学或医学奖、物理奖被众人交口称赞不同,今天宣布的化学奖被有些人认为很应该、而另外一些人表示颇出意料之外,认为这个领域还在起步,甚至都还没达到爆发竟然就发奖了。《知识分子》与大家共享中国化学家的评论。

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?2016年诺贝尔化学奖得主,三人将各获1/3奖金。左起:Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa

北京时间10月5日下午5点45分,诺贝尔奖委员会宣布将今年的化学奖颁发给让-皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage)、J. 弗雷泽·斯托达特爵士(Sir J. Fraser Stoddart)以及伯纳德·L. 费林加(Bernard L. Feringa),他们分别来自法国斯特拉斯堡大学、美国西北大学以及荷兰的格罗宁根大学,以表彰他们在分子机器设计和合成方面的贡献。

索维奇教授,1944年出生于法国巴黎,1971年获得斯特拉斯堡大学博士学位,现为斯特拉斯堡大学的荣誉退休教授,以及法国国家科学研究中心的荣誉主任。

斯托达特爵士,1942年出生于爱丁堡大学,1966年获得爱丁堡大学的博士学位,现为美国西北大学教授。

费林加教授,1951年出生于荷兰,1978年获得格罗宁根大学的博士学位,现为格罗宁根有机化学教授。

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?2016年诺贝尔化学奖得主。左起:索维奇、斯托达特、费林加

诺奖委员会认为,计算的发展向我们展示了微型技术如何引发一场科技革命。今年化学奖的三位获奖者实现了机器的微型化,将化学的发展带到一个新的维度中,打破了分子系统的平衡局面,为其注入能量,从而使分子的运动具有可控性。从历史发展来看,分子马达和19世纪30年代的电动机的地位相似,当时科学家们展示了各种各样的旋转曲柄和轮子,却没意识到这些东西将导致电车、洗衣机、风扇以及食品加工机的产生。“今天,分子机器很有可能在新材料、传感器以及储能系统的研发中得到应用。”

伯纳德·L. 费林加在获知得奖后接受媒体采访时表示,“我感觉有点像100年前首次飞上天空的莱特兄弟,人们当时说,为什么我们会需要飞行的机器呢?”

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?有四个“轮子”的分子在金属表面移动。也许将来医生会注入你体内这样的小机器人帮你找到癌细胞以治疗癌症

分子机器意味着科学家们在比头发丝直径的千分之一还要细的纳米水平,设计出了一部微型“起重机”、几块人工“肌肉”和微型“马达”。他们是如何设计出如此之小的机器呢?这是诺贝尔奖得主、伟大的物理学家理查德·费曼提出的著名问题。20世纪50年代,他就预测了纳米技术的发展,1984年,他在一个富有远见的演讲中重新提出来。他当时向现场观众提问:“现在让我们谈谈如何利用非常小的、可移动的物体,设计机器的可能性。他相信这是可能在纳米尺度下打造的机器。

其实,就在费曼提出问题之前,让-皮埃尔·索维奇就迈出了分子机器研发的第一步。1983年,他成功地将两个环形分子连接起来,形成一根链,并命名其为“索烃”。通常情况下,分子之间通过强共价键这种子之间共享电子的方式相结合,但在链状分子中,分子的结合则是通过自由力结合。一部机器要能执行任务,它的各个组成部分之间必须具有相对运动的能力。这两个相互扣合的环形分子符合这个要求。

到了1991年,J. 弗雷泽·斯托达特爵士完成了分子机器研发的第二步——研究出轮烷。他将一个环形分子套在一个线性分子上,该环形分子能够以线性分子为轴移动。之后,他以轮烷为研究基础,研发出分子“起重机”,分子“肌肉”和分子计算芯片。

伯纳德·L. 费林加则是研究出分子马达的第一人。1999年,他研究出分子旋转叶片,其能同向持续旋转。利用分子马达,他让一个比马达大上1万倍的玻璃杯成功旋转,此外,他还设计出一辆纳米车。

今年是超分子化学领域继1987年之后二度获得诺贝尔化学奖。有接受《知识分子》采访的专家表示,这个领域还处在比较初期的阶段,这次获奖消息令人感到意外。国内自十年前开展该领域的研究,尽管当时得到科技部的重视,并得到“973计划”的支持,但目前由于理论意义大于实际应用意义,还处于“冷板凳”的状态。此次诺奖结果料将对该领域研究起到促进作用。

专家点评

人工合成分子机器意义何在

中科院院士、华东理工大学化学与分子工程学院院长田禾教授是国内较早开展分子机器研究的专家。他对《知识分子》评论说,三位科学家在分子机器这个领域都做出了重大的贡献。

1987年的诺贝尔奖授予了超分子化学,当时人们就曾预言下一步是动态的超分子体系。斯托达特爵士在1991年第一个提出了分子梭(Molecular Shuttle)的概念,即在一个刚性棒状分子上套一个大环分子,这种大分子被称为轮烷(rotaxane),轮烷中的大环可以沿着棒状分子在两个站点之间来回地运动,这种二元状态可以通过一个分子实现,正如我们宏观看到的机械运动,在分子层面上表现出来。

索维奇提出的则是两个分子环之间的相互运动,我们叫它索烃(Catenane);费林加则是第一个提出分子转子(Molecular Rotor)的概念,我们可以想象,一个被固定的分子基底上,另一部分分子沿着一个轴进行转动。

这三位科学家都设计了一些不同的分子机械的概念和运动模式。

而从意义上讲,分子机器实际上是一个分子表现出不同的状态,这就使得我们可以将一个分子用编码的方式变成“0101”这样二进制的形式,从而使“在分子水平进行超高密度的信息存储”变成一种可能。目前硅基存储方式因为受到摩尔定律的限制,增速渐缓,而分子机器则提供了一个新的可能。

另外,生物体系中也存在类似分子马达、索烃的运动过程。人工合成的分子机器可以提供一个非常理想的超分子模型,从而模拟生命过程。就目前已经取得的成果来看,现在该领域正在飞速发展,可以一定程度上实现生命过程的模拟,这些都是人工合成分子机器的意义所在。

“blue sky science”获诺奖委员重视

厦门大学化学化工学院副教授曹晓宇博士解读:很多化学工作者对“分子机器”能获奖表示相当意外,因为一般来说需要展示出一定的应用,而“分子机器”这个领域相当年轻。

索维奇是1987年诺贝尔奖获得者Jean-Marie Lehn的学生,Jean-Marie Lehn因为开创了“超分子化学”这个领域在1987年共享了诺贝尔奖,实际上现在我所在的各化学群里大家都在说的是超分子化学又拿奖了……

不过,“分子机器”虽然和“超分子化学”有交集,例如Lehn的1995年的《超分子化学》这本书里的第186页里就展示了这次的诺奖得主索维奇的索烃(Catenane)和斯托达特爵士的工作,索维奇和斯托达特在构筑索烃和轮烷(Rotaxane)过程中使用了分子间的非共价作用力(“超分子技术”)来构筑,但费林加是一个有机化学家,他的“分子马达”相对独立,利用烯烃的双键结构和位阻效应实现分子的单向旋转。

实际上这三位新晋诺奖得主与Lehn教授都渊源不浅,索维奇是Lehn的学生,斯托达特和费林加是Lehn的朋友,在去年Lehn实验室成立50周年的庆典上,斯托达特和费林加教授都做了报告,而由于Lehn门下的学生们都不做报告,索维奇教授没有做报告。

很有意思的是他们在科学内容之外,还都介绍了与Lehn的渊源和交往故事。

尽管这些研究离应用还很远,但也许是诺贝尔奖委员对基础研究和“无用”研究的一次鼓励。无论如何,这次获奖对于“分子机器”乃至“超分子化学和可控分子组装”领域有很大的激励作用,鼓励着学者们做更多踏踏实实的基础科学研究。

获奖者实现了概念性的分子机器设计

北京大学化学与分子工程学院教授赵达慧:让-皮埃尔·索维奇可以讲是分子机器领域的开拓者,早在上世纪九十年代就开始在这个领域展开研究。最早索维奇主要从事的是金属配合物类分子机器的设计和研究工作,我印象比较深的是他的“分子肌肉”:将一个分子的模型和人体肌肉中的一种纤维蛋白的运动方式做了一个类比,研究由金属配合物配体的竞争产生的一个运动过程。

伯纳德·L. 费林加则主要从事有机分子机器方面的工作。我们都知道,一般的分子运动都是无规、不定向的运动,而费林加最大的贡献是致力于将分子的不定向运动转化为有规律的、定向的运动,这样才有可能从分子的运动过程中获取能量。就好比一个马达如果来回运转,我们是不能获得所需能量的,费林加的设计可以让我们真正有可能获得能量。

而斯托达特爵士是这个领域里面影响力比较强的人物。早期侧重离子型分子机器的设计。近两年,斯托达特爵士最著名的工作是实现晶体状态下具有特殊拓扑结构的分子,例如实现一些特殊形状的分子结、分子环。

总体上来说,这三位科学家的工作可能更多的是一些概念性的分子机器的设计。虽然现在真正意义上的分子机械、分子马达还未能实现,功能还未能达成,但三位科学家在理念上、概念上都取得了突破,研究具有前瞻性、先导性,这也是自上世纪九十年代,真正实现分子水平的可控运动开始以来所取得的一些突破。

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?做分子机器及其他相关领域的学者,

分子机器得奖属爆冷,国内十年前开始研究

清华大学化学系教授刘冬生表示,国际上做分子机器的体系很多,斯托达特爵士和费林加两位做了很长时间的小分子分子机器。其中托达特爵士做超分子分子机器,弟子遍天下。

我们都觉得这次他们获奖很突然,并没有在大家猜测范围之内。因为事实上分子机器一直是一个比较冷门的研究,而且还没有发展到特别蓬勃的阶段,有很多问题没有解决,包括做功的原理、做功能力的证明以及应用,尤其是现在应用上没有大的突破。从这两方面说,我们觉得分子机器还处在比较初期的阶段,有很多重要的科学问题值得深入探讨和研究。斯托达特爵士和费林加主要做的是分子机器的构建,该体系的应用范围并不广泛,可以预期的应用不明确。当然,不可否认的是两人在这其中做了很多工作,这次获奖也会对该领域研究起到促进作用。

就国内研究来说,不少老师从10年前开始进军这个方向,做了一些有特色的工作。近年来国内在分子机器的构建、机理以及应用方面都取得了很多进展。其中华东理工大学田禾、清华大学化学系张希等团队在此类分子机器和超分子体系构筑等方面取得了有影响的成果。我们团队是做生物大分子--核酸分子机器的。

2006年,中科院在上海组织了一个圆桌会,斯托达特爵士、田禾、费林加等都出席了会议,参会者一起讨论:怎么定义分子机器?怎么去做?那时候我的职业生涯刚刚开始,领域里的各位前辈都能受邀参会,其实从另一方面说明分子机器的圈子很小,研究者并不多。当时科技部特别支持分子机器的研究,2006年将其列入973计划,迄今已经支持了两期。基金委,北京市科委也支持了这方面的研究。

我们现在主要关注的方向是在生物分子水平上物质传递和能量传输的规律,这对我们理解生命的过程更重要一些,意味着人类在模仿自然界方面能走得更远。总体来说,我们的研究还处在坐“冷板凳”的阶段,做了两期973,原理和构建上取得了一定进展,应用上还在探索,所以分子机器现在是理论意义大于实际应用。不过石墨烯得奖时,我们也没有看到它的实际应用意义。分子机器获得诺贝尔奖,是对这个领域的承认,我们感到很高兴。

他们创造了新物质

浙江大学化学系教授,超分子化学研究课题组组长黄飞鹤主要从事超分子化学方面的研究工作。他介绍说,此次获奖的三位科学家的主要工作是做出了三种具有不同拓扑结构的分子机器,属于超分子化学的研究范畴。超分子化学这个词里“超分子”是超越分子层次的意思,超分子化学指的是超越分子层次的化学。分子通过一些非共价键弱相互作用力(比如氢键、静电相互作用、主客体分子识别)组装在一起,形成具有一定结构与功能的分子聚集体,这就是超分子化学的研究对象。传统化学又称为分子化学,主要研究对象是原子通过共价键连接而构成的分子。

“化学最重要的一个功能是创造新物质,这三种不同结构的分子机器都是人工合成的,不是自然界本来就有的,相当于一种新物质。”黄飞鹤认为,这正是三位获奖者工作的意义之所在。

分子机器有什么用吗?

“你们怎么都问有什么用?”黄飞鹤反问道。他介绍说,此次的获奖工作都属于非常基础的研究,目前还没有展示出什么实用价值。

黄飞鹤教授还介绍说,目前国内开展超分子化学研究的课题组还不太多,华东理工大学的田禾团队、南开大学的刘育团队、中科院化学所陈传峰团队、南京大学王乐勇团队、吉林大学杨英威团队、上海大学李春举团队在分子机器制备方面也做出了非常出色的工作。近些年国家更加支持偏向应用型的学术研究,而超分子化学领域属于非常基础的研究,获取经费较往年更加困难。

黄飞鹤教授从2010年开始认识索维奇教授。作为同行,平时会在学术会议上见面,工作中也常有邮件往来。在我们的通话中,黄飞鹤对索维奇教授的优雅表示非常欣赏。“他说话非常谦虚、客气。”2015年,黄飞鹤获得了超分子领域的“Cram Lehn Pedersen Prize in Supramolecular Chemistry”,并在法国举行的第十届大环与超分子化学国际研讨会上做大会报告。黄飞鹤领奖后,索维奇教授还特意向他问候,交流。黄飞鹤说,作为超分子领域的大牌科学家,索维奇教授能够如此平易近人,真的非常难得。

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?让 - 皮埃尔·索维奇使用铜离子来形成机械结合从而锁合分子。第一步,环状的分子连接一个铜离子;第二步,铜离子招募另一个分子;第三步,第三个分子连接到第二步中招募的新月形分子上;第四步,前两步的两个分子连接成环形,与第一步的分子锁合,铜离子被移走。

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?a. 让 - 皮埃尔·索维奇创造了一个分子三叶结。这个符号在凯尔特人的十字架、符文石、雷神之锤以及基督教中都有描述,它象征着神圣的三位一体。

b. 斯托达特创造的分子博罗梅安环。意大利的鲍罗麦欧家族在他们的盾牌上使这个标志。它还在古挪威的壁画上被发现并象征三位一体。

c.斯托达特和索维奇创造的“所罗门的心结”,所罗门王智慧的象征的分子版本。它在伊斯兰教和罗马马赛克作品中也常被使用。

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?斯托达特创建的分子梭可以以受控的方式沿一个轴移动。a. 环状分子组装到分子轴上;b. 环状分子闭合,不再从轴上脱落;c. 当加热时,环状分子在轴的富电子区域跳动。

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?弗雷泽·司徒塔特(Fraser Stoddart)的分子“升降机”。

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?让 - 皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage)用“细线”将两个分子穿在一起,使它们可以伸展和收缩。

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?1999年,费林加建造第一个分子马达时,它只能机械地朝特定方向旋转。现在他的研究小组已经将其优化,转速可达每秒1200万转——它含有两个相同的“叶片”单元,即甲基,叶片之间通过碳碳双键加以固定。当用紫外照射时,其中一个“叶片”会旋转180度,导致分子马达被“拧紧”,随后,另外一个叶片也旋转180度,分子马达便又恢复过来。如此循环,叶片便可以旋转起来。尤为关键的是,“叶片”形状经过特别的设计,可以保证它们只绕同一个方向旋转。

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?伯纳德·L·费林加(Ben Feringa)的四驱纳米车。原定9天后举行的第一届纳米汽车大赛延期了。

原文链接:http://www.itmsc.cn/archives/view-125345-1.html
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(责任编辑:夏喧)

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