据诺贝尔奖官网消息,斯德哥尔摩当地时间5日中午,2016年诺贝尔化学奖在瑞典皇家科学院揭晓,让-皮埃尔•索维奇(Jean-Pierre Sauvage),J•弗雷泽•斯托达特(J. Fraser Stoddart)和伯纳德•L•费林加三位科学家因“设计和合成分子机器”获得这一奖项。
分子机器有什么用?看到诺奖化学奖花落真·化学,很多人还是会提出这个让基础科学研究者们只想笑笑走开的问题……
获奖者之一费林加说,“这就像当年有人问怀特兄弟,第一架飞机造出来的时候,我们要这个会飞的玩意做甚啊?”
现在坐飞机成了家常便饭,当年问这个问题的人一定没想到吧。
不过,在另一群分子化学家眼里,分子机器当然有用啦,既然有轮子有车,那就可以飚!车!啊!
不开玩笑,真的有这样一个比赛——纳米车大奖赛(Nanocar Race)!
这个分子车飙车大赛于2016年10月14-15日举行,比赛的主办方是法国国家科学研究中心(CNRS),赛场位于法国图卢兹的材料和结构研究中心(Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales,缩写CEMES)。比赛内容非常简单——来自世界9个国家的实验室组成了6支队伍,自己设计自己的分子车,然后在一个纯金的跑道上(是金,不是金色),在零下270多度的真空中,让分子车往前开,在指定时间内谁开得最远,谁就获胜了。
赛道
可能我们看来很光滑的表面,在电子显微镜的纳米尺度,都是坑坑洼洼的。对于一个比头发丝还要细上1000倍的分子车来说,你家里的镜子上面全是东非大裂谷。而纯的金单质表面可以处理得十分平滑。
观战
一般我们看赛车飙车都是在电视上,这个比赛嘛,也是显示器……不过是电子显微镜的显示器。
用来欣赏激动人心的分子飙车赛的扫描隧道电子显微镜,STM。
显微镜的分辨率达到了惊人的2皮米,比你的电视电脑5K屏什么的不知道秒到哪里去了。看飙车呢,也不是一直守在显示屏前面激动人心地看,而是隔一段时间扫描一次,看它走了多少。
但是看起来依然还是……有点模糊?
动力
谁给赛车加油呢?动力来自电子显微镜尖端的探针,他们需要给探针上面加上一点电压,产生微弱的电流,刺激分子车往前移动。
好了,那么速度呢?嗯……大概是时速5纳米的样子。(笑什么,风驰电掣啊!!!)比赛时间是38个小时,赛道有两个转弯、三个直道,最后差不多100-200纳米——一个感冒病毒那么大。
别小看了这个,这代表着参赛队伍必须要能够控制分子车的方向、要能让它持续向前还能转弯。
参赛选手
这个德国小哥叫Frank Eisenhut,队伍来自德累斯顿科技大学,他们拿出了最不像车的车——其实看起来更像是一个飞镖——名字是“风车”(Windmill),四个ABP分子由氢键连起来。这项赛事里,所有的车,都必须不大于1000个原子,而他们这个小玩意算是倒数第二迷你的。电荷刺激风车的臂,然后整个车会朝着那个臂的方向移动。
就像这样!
东道主法国队本土作战,还请来了真正的汽车公司标致雪铁龙集团赞助!
他们的车更大、更像是车,有正儿八经的底盘,还有轮子,名字叫Green Buggy——绿色沙漠车。该车的化学名可以写上10行,简单来讲就是184个碳原子和116个氢原子。电流通过的时候,会刺激“轮子”旋转,像一个真车一样往前开!(这个也跟诺贝尔化学奖介绍的那个可以转动的轮子是有点相通的)
他们队伍介绍自己的优势的时候,一本正经地说,轮子的滚动摩擦比较小……嗯,是这个道理。
(顺便,组装的过程已经于2012年发表了论文)
瑞士队由巴塞尔大学的实验室参加,它们的Swiss Dragster跟德国队的一样都非常小,比较平,只有三个“臂”。
驱动的地方在尾部,给一个电流,它就往前跑。小个子的摩擦力小,移动速度也快。
不过呢,他们的车的弱点也很明显——这个大分子不能很好地附着在金的表面,常常会跑到电子显微镜的探针上,冲出赛道消失了。(……)
日本代表队来自筑波的国家材料研究中心,也是业界大手汽车公司丰田赞助的。
但是他们的车呢和丰田不太一样,结构非常柔软,通过蠕动(……)前进,像毛毛虫一样。
然后是带有美式肌肉车感觉的美国队,来自俄亥俄大学。车名Bobcat Wagon,看这霸气的轮子!
最后是奥地利-美国联合队,分别来自格拉茨大学和赖斯大学。这个车和法国队有点相似,不过截止写稿的时候,他们还没有确定最后的方案……(这样真的好么,还有10天就要参赛了诶……)
这绝对是世界上最小的赛车比赛了,而搞这个比赛呢,也是研究者们的大新闻,可以看到,诺贝尔奖三位开拓出来的领域,已经有这么多活跃的研究者啦,而且不仅有了机器,还可以真正地往前开,这不是很伟大的成就么!
(插播冷知识:著名的卡尔·奔驰老师在1885年造出了第一辆真正意义上的汽车。第一次有组织的比赛飙车呢?1887年的巴黎,大约两公里,从Neuilly Bridge到Bois de Boulogne。当然,第一次正式的汽车赛是1894年从巴黎到卢恩,那时候的车是这个样子的……)
这次比赛,挑战的主要是能够合成精密结构的分子,还能对它进行操控。这是分子机器的一大步。将来我们更复杂的分子机器,也会建立在这些技术基础之上。甚至推动整个分子化学领域的进步。化学不再是像科学怪人一样拿个瓶瓶罐罐,分子化学拼的就是微观世界的高精尖。
其实还是很难的,卫报这么形容,“想象你是在一片黑暗中,戴着拳击手套拼乐高玩具”(Imagine trying to build a lego castle in the dark with boxing gloves)。现在我们有了分子乐高车,以后也会有分子乐高城,有愉快的小人在乐高城里走来走去……啊啊,那时候会有真·分子跑车也不一定。
(不过,这也是细思极恐的事情……听说过灰蛊么……科科。)
一个AI 太……刺……激……了……