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分子機(jī)器
分子機(jī)器，指由分子尺度的物質(zhì)構(gòu)成、能行使某種加工功能的機(jī)器，其構(gòu)件主要是蛋白質(zhì)等生物分子。因其尺寸多為納米級，又稱生物納米機(jī)器，具有小尺寸、多樣性、自指導(dǎo)、有機(jī)組成、自組裝、準(zhǔn)確高效、分子柔性、自適應(yīng)、僅依靠化學(xué)能或熱能驅(qū)動、分子調(diào)劑等其他人造機(jī)器難以比擬的性能，因此研究生物納米機(jī)器具有重大意義。它可以促進(jìn)生物學(xué)發(fā)現(xiàn)，深入認(rèn)識蛋白質(zhì)分子機(jī)器機(jī)制，開發(fā)生物分子機(jī)器和促進(jìn)仿生學(xué)發(fā)展。2016年10月5日讓-彼埃爾·索瓦、J.弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·L·費(fèi)林加因“設(shè)計(jì)和合成分子機(jī)器”獲得2016諾貝爾化學(xué)獎。
基本信息
| 中文名 | 分子機(jī)器 |
| 外文名 | Molecular machines |
| 類別 | 設(shè)備 |
| 影響 | |
| 相關(guān)獎項(xiàng) | 2016 諾貝爾化學(xué)獎 |
簡介
分子機(jī)器
就像人的生命一樣，人體內(nèi)的分子可以從食物中獲取能量，進(jìn)而推動人體的分子系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，向更高水平的能量狀態(tài)發(fā)展，這樣人體才有可能利用這些能量推動肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學(xué)平衡態(tài)，人就會死亡。
2016年諾貝爾獎評選委員會表示，讓－皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·費(fèi)林加三位科學(xué)家發(fā)明了“世界上最小的機(jī)器”，將化學(xué)發(fā)展推向了一個新的維度。
動力來源
研究歷史
分子機(jī)器
到了1991年，斯托達(dá)特實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器誕生的第二步，他成功合成了“輪烷”。輪烷是一個或多個環(huán)狀分子和一個或多個啞鈴狀的線形分子為軸組成的分子集合。啞鈴狀的線形分子作軸穿過環(huán)狀分子的空腔，兩端結(jié)合有體積較大分子以防止線形分子滑出，從而形成了穩(wěn)定的輪烷結(jié)構(gòu)。
基于上述研究成果，斯托達(dá)特的研究團(tuán)隊(duì)先后成功實(shí)現(xiàn)環(huán)狀分子在線形分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構(gòu)成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開發(fā)出一種基于輪烷的計(jì)算機(jī)芯片，被認(rèn)為在將來有望顛覆傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)。
費(fèi)林加則是研發(fā)出分子馬達(dá)（分子發(fā)動機(jī)）的第一人。1999年，他研制了一個分子轉(zhuǎn)子葉片，葉片能夠朝著同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個馬達(dá)可以讓一個28微米長、比馬達(dá)本身大1萬倍的玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來。2011年，費(fèi)林加的研究小組在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上制造了一款四驅(qū)納米汽車，一個分子底盤將4個分子馬達(dá)連接在一起作為輪子，當(dāng)分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時，納米汽車就能向前行駛。
至此，分子機(jī)器動起來了。
應(yīng)用領(lǐng)域
分子機(jī)器
隨著生物技術(shù)水準(zhǔn)的迅速進(jìn)步，這樣的生物技術(shù)藥物可能會很快地代替現(xiàn)有藥物，為人類創(chuàng)造更好的福祉，可是這些構(gòu)建出來的融合蛋白還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能表達(dá)出人們所企求的結(jié)構(gòu)和功能水準(zhǔn)——人工多結(jié)構(gòu)域“蛋白質(zhì)機(jī)器”所應(yīng)該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質(zhì)分子機(jī)器的一個雛形。現(xiàn)在，正有科學(xué)家試圖把如此重要的機(jī)械在分子尺寸上組裝起來，制造一種極其微小的裝置，科學(xué)家意圖使用這種裝置來操控別的分子，運(yùn)用于醫(yī)學(xué)可以用來清除肌體深處的病毒、癌細(xì)胞等，它們具有不可限量的應(yīng)用前景。
不少國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占分子機(jī)器人這種新科技的戰(zhàn)略高地。《機(jī)器人時代》月刊日前指出：分子機(jī)器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應(yīng)用于醫(yī)療和軍事領(lǐng)域。
諾貝爾獎評選委員會表示，就像19世紀(jì)30年代，當(dāng)電動馬達(dá)被發(fā)明出來時，科學(xué)家未曾想過它會在電氣火車、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇上被廣泛運(yùn)用，給人類生活帶來翻天覆地的變化。正如當(dāng)年的電動馬達(dá)一樣，分子機(jī)器未來很有可能將用于開發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲系統(tǒng)等，為人類的未來提供了無限可能。
榮獲諾貝爾獎
2016年10月5日，諾貝爾化學(xué)獎因“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”授予讓-皮埃爾·索維奇、J·弗雷澤·斯托達(dá)特和伯納德·L·費(fèi)林加，以表彰其設(shè)計(jì)并建造了最小的機(jī)器“分子機(jī)器”。
1983年，讓-皮埃爾·紹瓦熱邁出了通往分子機(jī)器的第一步，他將兩個環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴。隨后的1991年，斯托達(dá)特成功制備了輪烷，其中一個分子為鏈，一個分子為環(huán)，環(huán)分子可以繞鏈轉(zhuǎn)動。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家成功研制了分子起重機(jī)、分子肌肉和分子芯片。費(fèi)林加則是發(fā)展分子發(fā)動機(jī)的第一人。1999年，他制備了一種能夠持續(xù)朝一個方向轉(zhuǎn)動的分子發(fā)動機(jī)，用它轉(zhuǎn)動了比它大一萬倍的玻璃杯，并且設(shè)計(jì)了一個微型車。
2016諾貝爾獎獲獎?wù)邘Щ瘜W(xué)走出了僵局，并用給予能量的方式控制了分子的運(yùn)動。從發(fā)展的眼光看，分子機(jī)器之于我們正如電動機(jī)之于19世紀(jì)的科學(xué)界先輩，那時他們并不知道這些線圈和磁石會化為電車、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇等等走進(jìn)千家萬戶。分子機(jī)器很有可能會在未來的新材料、傳感器、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域大顯身手。
參考資料
[1]
新科諾貝爾化學(xué)獎成果揭示世界最小機(jī)器誕生歷程 · 央視網(wǎng)[引用日期2016-10-06]
[2]
分子機(jī)器人：定點(diǎn)清除病毒、癌細(xì)胞 · 生命經(jīng)緯新聞中心[引用日期2016-10-06]
[3]
深度解讀2016諾貝爾化學(xué)獎：分子馬達(dá)與納米火箭[引用日期2016-10-05]
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