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深度解读2016诺贝尔化学奖:分子马达与纳米火箭
关键字: 诺贝尔奖2016诺贝尔奖诺贝尔化学奖分子机器分子马达分子泵纳米机器第一,环状分子与链状分子在位点结合的相互作用并不是高强度的共价键,而是带正电区域与带负电区域之间的静电吸引作用。这种作用相对较弱,换句话说,环状分子与链状分子之间的结合可以随时被打破与重建,就像双链DNA间的氢键一样。
第二,斯托达特设计的分子“穿梭机”并不需要外在能量就能完成往复运动:装置运行的驱动力来源于溶液中分子间的相互碰撞,也就是常说的布朗运动。
在这之后,五花八门的分子开关层出不穷。有的是基于光或温度的变化,有的则是通过结合溶液中特定的离子或分子来实现开/关,而后者的原理与细胞膜上的离子通道响应外界化学信号来进行开/闭的工作模式如出一辙。
然而,斯托达特却在这股潮流中将他的研究引向了另一个方向。他与加州理工学院的詹姆斯·希思(James Heath)合作,用数百万个轮烷制造出了一个三明治型的数据记录装置。这些轮烷被夹在硅电极与钛电极之间,可在电信号的作用下从一种状态切换到另一种,由此完成数据的记录。
这一“分子存储器”长约13微米,可记录16万比特的信息,每比特对应几百个轮烷分子。这样的存储密度相当于每平方厘米可存储约100GB的数据,与目前最好的商用硬盘相比也毫不逊色。斯托达特的团队用该数据记录装置中最稳定的24个比特单位,存储并检索出了“CIT”三个字母(加州理工学院的首字母简称)。
但他的这一装置并不结实,使用了还不到100次,就土崩瓦解了。一个可行的解决办法是将它们加载到更坚韧的多孔材料——金属有机骨架材料(metal-organic framework,MOF)上。这种材料不但可以保护装置,还可以通过有效的组织形成精确的3D阵列。
今年早些时候,加拿大温莎大学的罗伯特·舒尔科(Robert Schurko)和斯蒂芬·勒布(Stephen Loeb)宣布,他们已经可以在每立方厘米的金属有机骨架材料中嵌入大约10^21个分子穿梭机。而就在上个月,斯托达特公开了另一种加载有“开关型轮烷”的金属有机骨架材料。该材料与一个电极相连,通过改变电压,可以让全体轮烷分子同时完成开关状态的转变。
研究金属有机骨架的专家希望这些结实的3D骨架能够提供比传统硅晶体管更高密度的分子开关,并且让这些分子开关在转换时更易控制,以便提供超强的数据存储能力。“用科幻的眼光展望,我们希望让每一个分子都可以存储一比特的信息。”勒布说道,“但更现实的想法是让一块包含有上百个分子开关的金属有机骨架材料存储一比特的信息。只要骨架材料上大部分的分子开关都运行良好,它们就可以用来有效地编码数据。”
还有一些科学家利用轮烷来制造可切换型催化剂。2012年,戴维·利在其发表的文章中介绍了一种带有氮原子的轮烷系统。氮原子位于链状分子的中段,即环状分子包围着的位置。当向该系统加入酸性溶液时,环状分子会移向轮烷的一端,将中间的氮原子暴露出来。这时,氮原子就可以作为催化剂去催化某些化学反应。而就在去年11月,戴维·利又将他的研究推进了一步:他设计了一种含有两个不同催化位点的轮烷系统。当环状分子从一端移向另一端时,轮烷的反应活性也会随之改变,因此该系统可以用两种不同的方式来处理体系中的分子混合物。
戴维·利现在的研究目标是模拟细胞中的酶——把多种不同的可切换型催化剂投放到同一个溶液体系中,利用它们各自的催化特点,使目标分子能够按照一定的反应顺序生成更加复杂的最终产物。
纳米车
纳米马达
1999年,第一台分子马达的成功合成又将这一领域的研究向前推进了一大步。分子马达由费林加的团队完成,含有两个相同的“叶片”单元,叶片之间通过碳碳双键加以固定。当用大量的光能打破叶片间的化学键时,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。因此,只要能提供合适的光能和热能,这台马达便可以持续转动。
费林加用类似的分子马达制造出了四轮驱动的纳米车。在另一项研究中,他在液晶薄膜中掺杂了分子马达,后者可以让液晶薄膜产生足够大的扭曲度,从而使放置在膜上的玻璃棒缓慢转动。这根玻璃棒长达28微米,是马达尺寸的上千倍。
有些化学家认为,尽管分子马达很酷,但最终并不会有什么实际用处。“我对这些人造马达的应用一直持怀疑态度。它们制造起来非常复杂,而且非常难以量产。”德国慕尼黑大学的化学家迪尔克·特劳纳(Dirk Trauner)说道。然而,这些分子机器背后隐藏的化学原理可能会非常有用。基于相同的光切换机理,研究人员已经开发出了大约100种类似药物的化合物,光信号可以使这些化合物开始或停止发挥药理活性。
今年7月,由特劳纳领导的研究小组就发布了一种光敏型康普立停A-4。这是一种有着严重副作用的强效抗癌药,会无差别地攻击肿瘤细胞以及相似的健康细胞,而特劳纳团队制备的可切换型新药能够有效地减少这种副作用:当药物分子处于“关闭”状态时,分子内含有一个氮氮双键,药物在整体上并不具备活性。当用蓝光照射分子,打破氮氮双键之后,双键连接的两部分会发生旋转,使药物分子重新产生活性。特劳纳提到,如果利用柔性导管或是植入性装置来传递光信号,这种靶向控制可以在仅仅10微米大小的人体组织内实现。他的下一步工作,就是利用小鼠对这些新型化合物的抗癌效果进行测试。
特劳纳也希望这些光敏型化合物可以让患有黄斑变性和色素性视网膜炎(这些疾病会破坏眼内的视杆及视锥细胞)的人重见光明。“这是极易实现的,因为病灶位于眼部,你不需要担心如何引入光信号。”特劳纳说道。在去年的实验中,他向盲鼠的眼睛里注射了一种叫DENAQ的光敏型药物分子,使盲鼠在几天的时间里恢复了部分视觉(可以分辨白天与黑夜)。他的团队目前正尝试把这项技术推广到灵长类动物身上,希望在两年之内开展人体试验。
特劳纳和克莱因都认为,这项研究最主要的挑战在于说服谨小慎微的医药行业,让他们相信光敏型药物有着巨大潜力,即便它们还没有人体上的使用记录。特劳纳说:“一旦他们看清了这一领域的价值,我们的研究就能更好地开展下去。”
- 原标题:深度解读2016诺贝尔化学奖:分子马达与纳米火箭 本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑:陈轩甫
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