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【解構・諾貝爾獎】由分子變機器

2016/10/5 — 20:30

圖片來源:nobel prize youtube片段截圖

圖片來源:nobel prize youtube片段截圖

微生物結構精密可謂鬼斧神工,科學家一直希望可以以機器製作到這類要在電子顯微鏡下才可觀察到的機器結構。

要製作出微小機器,其中兩大方向分別為:一,不停研發更小的機器人,將組件砌出,但成效不彰;二,由基本逐件組合——這個方向都要依賴分子化學研究。

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分子小環

分子與分子之間由化學鍵結合,部份就以「共價鍵 (Covalent Bond)」所連繫。這種共價鍵令原子可以「共用」電子,令原子或分子可以緊緊相扣。在二十世紀中期,化學家嘗試製作出由環形分子組成的「分子鏈」。這種結構不是以一般的化學鍵維持,而是令在原子間沒有「相互作用」的情況下令分子緊扣。

雖然在 1950-60 年間相繼有研究人員成功製作到分子鏈,但他們製作數量少且方法都過於複雜,一直都未廣為使用和研究。直至 1983 年,這類研究終有突破!化學家 Jean-Pierre Sauvage 領導的法國研究隊伍無意中發現到控制分子的關鍵——銅離子。 Sauvage 原本希望可造出吸收陽光能量的分子,來推動不同的化學作用。當他們製作到對活躍光化學結構 (photochemically active complex) 時,Sauvage 留意到兩組分子竟與銅離子「糾纏」。

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從這個發現中,他們嘗試根據這個方法製作會被銅離子吸引的兩種分子結構:圓環形和新月形,銅離子就為分子提供了「黏力」。然後他們再將新月形的環狀黏合好作新環形結構,使其成為分子鏈中第一度「連繫」。之後再將原來跟分子糾纏著的銅離子移除。Sauvage 的進展遠超前人研究,由分子改變最多只可有幾個百份比,變成他研究的 42% 改變。最有趣的是, Sauvage 的研究最初只出於好奇,並無明顯的實際作用。對一般人而言,可算「冇用研究」。

分子結構變機器?

正因這個「冇用」的發現,就啟發了 Sauvage 與其他研究人員對於分子機器的研究。機器要要如齒輪與齒輪間般互相推動,分子環之間就恰巧可呈現類似機制。在 1994 年 Sauvage 的研究隊伍就令一個分子環在加入能量後,圍繞另一個分子環旋轉——成為首個簡單的分子機器。

另一位得獎者 J. Fraser Stoddart 亦以技術創作出更多不同類型的分子鏈。更在 1991 年研發了一個缺乏電子的環,同時製作了另一個充滿電子且呈輪軸形的結構。當兩種結構在溶液間「相遇」時,充滿電子的輪軸就會吸引著缺電子的環。輪軸妨似穿過環形物,加熱後的環形物更會不斷前後跳動。Stoddart 之後就憑類似機制,製作到一個可將自己拉起 0.7 納米的結構,幾年後再研發到人工「肌肉」。之後他更和其他研究人員合作研究到分子晶片。這種分子晶片可儲存約 20 kB 的內容,對研發分子電腦有莫大幫助。另一邊廂,發現糾纏機制的 Sauvage 也在 2000 年將兩個圈結分子連繫組成具彈性的結構,形態近似人類肌肉。此外,他們也製作到一個可向不同方向轉動的環。

不過要令分子轉動不難,但摩打又是另一回事。摩打需要維持同一方向轉動,惟研究人員當時卻未找到可向單一方向旋轉的「分子摩打」。

分子摩打

首個做到分子摩打的就是第三名化學獎得主 Benard L. Feringa。他在一個訪問中就曾談到:「化學的力量不只是理解,也包括創造、製成前所未見的分子和物料。」在 1999 年,他終於成功製作到首個分子摩打。摩打不再隨機轉動,而是可控制到只向一個方向旋轉。這個分子結構擁有兩塊轉軸片和兩塊平面化學結構,然後再將甲基 (Methyl Group) 連上每個轉軸片上。甲基和轉軸片部份變成一個制動裝置,當被紫外光照射時就可迫使分子向同一個方向轉動。他以這個方法製作出一輛可向前移動的「納米車」。

雖然化學家成功做到「摩打」,但分子摩打初時轉速仍相當慢。直到 2014 年, Feringa 才成功製作出轉速可達每秒 1,200 萬轉的分子摩打。更厲害的是,Feringa 不僅做到高轉速摩打,摩打更可以推動 28 毫米的玻璃圓筒旋轉。

憑著三位的好奇心,及後的科學家可以嘗試製作出各樣有趣的「納米機器」,並應用在新材料、感應器和能量存儲系統的開發上。最重要是,三位科學家更成功將分子原來的「平衡 (equilibrium) 」打破,令它們有「動能」去推動各種機器。現時納米機器仍在起步階段,但相信將來科學家將有機會將「不可能」實現——比細胞還要小的機器不再是夢。

原文:

Nobel Prize.org, How molecules became machines, 5 October 2016

文/eh

圖片來源:nobel prize facebook

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