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小身材,大能耐

时间:2022-11-24 21:50:06 公文范文 浏览量:

2016年的诺贝尔奖重磅揭晓,三名科学家——弗雷泽·斯托达特、让-皮埃尔·索瓦日和伯纳德·费林加联合获得了诺贝尔化学奖。说到他们三人所做的研究,是一种细微至极却又功能多样的尖端科技——分子机器。也许大家对于这个名词略感陌生,但它却代表着科技小型化的潮流,而且势必将引发一场全新的技术革命。

分子造机器的灵感来源

机器的发明,可谓是人类历史上改变生产力的重要一步。各式各样的机器,可以协助我们完成无数任务。几千年来,机器也随着人类技术水平的发展而不断进步,表现在机器不仅需要实现某项功能,还要求尺寸小,就比如手机、笔记本电脑等我们日常生活中最常见的产品,在“瘦身”的路上已行走多年,且仍在继续。而如今分子机器横空出世,或将是制造业史上一场新的技术风暴。

那么,什么是分子机器?所谓分子机器,是指由不同数量的分子所构成,并能在适当的外部作用下,执行不同动作的一种微小机器。它的概念是1965年诺贝尔物理学奖的获得者、赫赫有名的理查德·费曼提出的。早在1959年的美国物理学会年会上,费曼就做出了一个意义深远的预言:“未来,我们或许能用分子制造出含有多个活动部件的机器,这种机器小到只有用电子显微镜才能看到,我预言在25年到30年内,这种分子机器会获得实际运用,但最初会运用在什么机器上,我还无法确定。”他所提出利用微型分子制造齿轮装置的创造性概念,也成为了后人研究分子机器的灵感来源。

你知道吗?

理查德·费曼从24岁就开始了对量子电动力学的研究,直到他后来发现了量子电动力学的一个理论,这个理论是以理查德·费曼的名字命名的,这也让理查德·费曼获得了诺贝尔物理学奖。其实,理查德·费曼因还是世界上第一个提出纳米概念的人,虽然他曾经提出过纳米技术,但是他并没有因为纳米概念获得诺贝尔物理学奖,真正让他声名大噪的还是量子电动力学这门学科。

分子机器的最大特点——小

分子机器最大的特点就是“小”。它们到底能有多小呢?答案是小于纳米级,换句话说,尺寸还不到一纳米。如果这个答案还不够形象的话,那么一根头发丝的千分之一粗细,大概就是它的真实大小了。

由于尺寸很小,因此分子机器所需要的能耗也非常低,仅仅凭借热能和化学能就能轻松地驱动它们。而组成它们的基本单位是蛋白质等有机分子,因此分子机器还可以灵活自如地进行组装。组装的过程也可以由这些分子自己完成,还可以做到准确而高效。

分子机器的诞生

说到分子机器的发明史,的确和诺贝尔奖的三名获奖者息息相关,他们相继为它的诞生开辟了道路——

第一步:组装

制造分子机器的第一步,是由法国人索瓦日在1983年迈出的,他成功地将两个环状分子连结在一起,形成了一个链状的“交环烷”分子。我们知道,分子中的原子通常会以共享电子的方式,形成分子作用强大的共价键。然而“交环烷”中的原子,却能与分子作用比较微弱、但却相对自由的机械键连结。

这样做的好处,就是让分子零件能够像一部真正的机器那样运作,各个零件都可以自如地进行相对运动。再打另外一个比方,这种“交环烷”就像人类的关节一样,可以让肢体灵活地运动。

第二步:转起来

美国西北大学的斯托达特教授接手了分子机器发明的第二棒。他在1991年研发出了一种叫做“轮烷”的东西。名如其物,它的实质就是将一个“交环烷”分子,缠绕到另一个哑铃状的线形分子轴上,从而让它可以绕着轴运转。分子轮轴所引发的进步,就好比人类文明创造出了轮子一样:有了它,我们就可以实现各种轮轴形式的运动。

利用分子轮轴,斯托达特还研发出了一种可以让整体爬升0.7纳米的“分子电梯”,一种充满力量,可以折弯黄金薄片的“分子肌肉”,以及一种利用蛋白质分子搭建而成,可以储存20KB数据的电脑芯片。这些脑洞大开的创造,证明了分子机器领域有着无穷无尽的潜力。

第三步:动起来

“分子马达”的发明,为分子机器的成功问世添上了最后一块砖。它的创造者,是荷兰格罗宁根大学的费林加教授。1999年,费林加设计出了一种看起来很像电风扇叶片的“分子转子叶片”。通常情况下,分子的运动方向是随机的,其逆时针或是顺时针旋转的概率大致相等。但费林加琢磨出了一种精巧的设计,使叶片可以在紫外线脉冲的照射下,持续地向一个特定方向旋转,形成一部稳定可靠的“分子马达”。

利用“分子马达”,费林加在后续的实验中成功地令一个28微米长,尺寸是马达本身一万倍的玻璃气缸旋转起来。那一刻,他完全可以自豪地说:“给我一台分子马达,我可以让世界转动。”接下来,他又利用一台优化后每秒可达1 200万转的“分子马达”,开发出了一部“纳米汽车”,彻底奠定了分子机器的诞生。

小身材 大用途

通过上述步骤制作出来的分子机器,别看它们尺寸小,这些小家伙可以像身边的大机器一样工作,甚至实现大机器无法完成的功能。譬如说,凭借它们的小身材,可以来去自由地进入人体,定点围剿那些可恶的病毒,或是向癌细胞发动集火攻击。以往那些令我们束手无策的绝症,很可能在这些小卫士的帮助下被攻克。

此外,科学家们还发现,分子马达可以与一些化合物相接触,从而构造成一张精密又相互纠缠的网络。当用光源照射分子马达后,它们就会快速地缠绕在一起,通过这种奇妙的方式,光能就可以被存储在分子当中。如果能够将它们重新恢复的话,就可以开发出一种极其微小的光能电池。那时,或许我们就再也不必为手机耗电太快而烦恼了。

回首往昔,当第一架飞机刚被创造出来的时候,人们不屑地质疑莱特兄弟:“它们能有什么用处?”没想到一个世纪过去后,庞大的航空业早已是人类交通不可或缺的组成部分。同样地,分子机器的发明虽然还只是实验室中的“雕虫小技”,然而假以时日,这貌似不起眼的“小玩意儿”却可能引领一场微观领域的大革命。

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