2016诺贝尔化学奖.ppt

分子机器人 化学工程曹星星 中新网10月5日电据诺贝尔奖官网消息 瑞典皇家科学院于当地时间5日宣布 将2016年诺贝尔化学奖授予让 皮埃尔 索维奇 Jean PierreSauvage J 弗雷泽 斯托达特 J FraserStoddart 和伯纳德 L 费林加 BernardL Feringa 以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献 2016年诺贝尔化学奖 人物简介 让 皮埃尔 索维奇 让 皮埃尔 索维奇 Jean PierreSauvage 男 1944年出生于法国巴黎 法国化学科学家 斯特拉斯堡大学教授 2016年10月5日 因在分子机器设计与合成方面的突出贡献 获得2016年诺贝尔化学奖 J 弗雷泽 斯托达特 詹姆斯 弗雷泽 斯托达特 1942年出生于英国爱丁堡 1964年 在爱丁堡大学获得学士学位 1966年 在爱丁堡大学获得博士学位 1967年赴加拿大女王大学国家研究委员会 担任博士后研究员 1970年在谢菲尔德大学担任帝国化学工业项目研究员及化学讲师 1978年担任加州大学洛杉矶分校高级访问学者 1982年在爱丁堡大学获得理学博士学位 伯纳德 L 费林加 荷兰合成有机化学家 出生于1951年 他于1978年在荷兰格林罗根大学取得博士学位 现任格林罗根大学化学系教授 荷兰科学院副院长 他的研究兴趣包括立体化学 有机合成 非对称催化 分子开关及机器 自组装及分子纳米系统 获奖理由 这三位化学家成功的研发了 世界上最小的机器 比头发要小1000倍 这是可控的分子 这些 分子机器 一旦被施加能量后 就可以完成预先设定好的任务 诺贝尔委员会在公告里称赞道 获奖者们实现了该机器的微型化 并把化学带入了一个新的领域 杰出的美国物理学家 诺贝尔奖得主理查德 费曼先生 曾经在1984年提出了一个问题 制造极其微小的 有可移动部件的机器的可能性有多大 而2016年诺贝尔化学奖则很好地回答了这个问题 人类目前已经能够做出相当于头发丝直径千分之一大小的机器 那么登上诺贝尔领奖台的分子机器究竟什么来头 制造这号称世界上最小的机器究竟有多大的难度 它又能够为人类带来怎样的福音呢 下面就让我们走进分子机器的微妙世界 这个 机器 不简单 一提到机器 我们首先都会联想到金属材质的大型机器 然而我们这里要讲的分子机器 是指由分子尺度的物质构成 能行使某种加工功能的机器 其构件主要是蛋白质等生物分子 简单地说 分子机器就是由三位科学家通过人工创造的一种比纳米尺度还小的新物质 这种分子特别小 是以原子为材料 可以称之为目前世界上的最小机器 这种 世界上最小的机器 是在分子层面上设计开发出来的机器 可以进行可控的运动 在向其充能时可移动执行特定任务 诺贝尔奖委员会表示 分子机器将最有可能应用于开发新的材料 传感器和能量存储系统 三步走 造出分子机器 作为世界上最小的机器 实现纳米尺度上的驱动与空寂 难度可想而知 相较于技术操作上的高难度 分子机器的设计原理就简单许多 通常 分子是由原子间形成的共价键组成的 比如两个氢原子和一个氧原子由共价键连接形成水分子 但是 分子机器却是在非共价键弱相互作用力下由不同的构筑基元组装而成 就像堆积木 不同形态的积木组合成不同的结构 而后通过化学反应使这种结构稳固下来 那么 科学家又是怎样一步一步实现了分子机器的组装呢 让 皮埃尔 索维奇把分子聚集在一个铜离子周围 他的研究组构建了一个环状的分子和一个新月形的分子 并使这两种分子能够被铜离子吸引 铜离子作为凝聚力让这些分子呆在一起 接下来 研究组利用化学手段将新月形的分子和另一个分子 焊接 到一块 这样一来 另一个环就形成了 它与之前的环状分子组成了锁链的第一个环扣 这时 研究者能够移走已经完成任务的铜离子 让 皮埃尔 索维奇很快意识到分子锁链 称为 索烃 catenanes 并不只是一类新的分子 他认识到自己已经迈出了创造分子机器的第一步 弗雷泽 斯托达特 把一个分子环串到了一个分子轴上 斯托达特开发出了让他获得2016年度诺贝尔奖的分子 利用的正是分子间的互相吸引 1991年他的团队造出了一个开环 上面缺乏电子 还造出一根长棒 轮轴 这根轴上有两处富集电子 当这两种分子在溶液中相遇时 缺电子的那个就会被有电子的那个吸引 于是环被套进了轴上 接下来把环加以闭合 让环不会掉下来 于是他们以极高的产率得到了 轮烷 一个环状分子以机械作用套在一个轴上 1994年 斯托达特改进了他的设计 让链状分子的两端分别带有不同的结合位点 这一新的分子穿梭机在水溶液中试验成功 改变溶液的酸碱度 可以让环状分子在位点间实现可逆的来回移动 使得该 穿梭机 在某种程度上变成了一种可逆型开关 这种可逆型开关在未来不仅可用于制造热敏 光敏或是感受特定化学物质的传感器 还可用做体内纳米级药物载体的开关 在正确的时间和地点释放药物 费林加 建造了第一个分子马达 而费林加则完成了第三步 成功开发出了世界上第一个分子马达 1999年 费林加发明出了可以向同一个方向不停旋转的分子转子叶片 它含有两个相同的叶片单元 当分子被暴露在紫外线光的脉冲下 一个动叶片围绕中间的双键跳了180度 然后 棘轮移动到指定位置 随着下一个光脉冲的带来 动叶片又跳了180度 如此持续下去 分子马达就会朝同一个方向旋转起来 现在他的研究小组已经将其优化 转速可达每秒1200万转 利用分子马达 他驱动了一个28微米长 比马达本身大1万倍的玻璃圆筒 2011年时 研究组还制造了一个四轮驱动纳米车 一个分子底盘将四个马达联结在一起 当作车轮使用 当车轮旋转时 纳米车就在表面上向前行驶 前景展望 科学家们表示 未来分子机器的应用前景将是 无限的 分子机器可以搭载药物 进行药物的定点精确释放 它还可以成为微小的存储单元 进行高密度存储等 科学家认为 分子机器的诞生是一次具有深远意义的革命 很有可能做出在血管中流动的机器人 然后找到恶性肿瘤组织 释放治癌药物 彻底攻克癌症 除了可以用于治疗疾病 考虑到分子机器大小仅有头发粗细的千分之