微米和纳米科技材料

【工业之美】大小只有百万分之一毫米的分子机器人 代表了机械小型化的终极方向

1984年,诺贝尔奖获得者理查德·费曼在一次演讲中提出了一个问题:“制造极其微小的、有可移动部件的机器的可能性”。

在自然界中,葡萄酒开瓶器形状的大分子通过不断旋转,推动细菌鞭毛前进。查德·费曼则认为人类也可以在纳米尺度下打造机器人。

近日,英国曼彻斯特大学的科学家研制出了世界上首个“分子机器人”,未来可用于研发药物、设计先进制造工艺以及搭建分子组装线和分子工厂。这一研究成果发表在《自然》杂志。

【工业之美】大小只有百万分之一毫米的分子机器人 代表了机械小型化的终极方向

曼彻斯特大学化学学院教授大卫·雷(David Leigh)表示,这些分子机器人的搭建就像乐高积木一样。每个分子机器人由150个碳、氢、氧和氮等原子组成,大小只有百万分之一毫米,相当于几百万个分子机器人可以同时安放在一颗大头针的顶端。

与组装汽车零部件的机器人类似,分子机器人也可以通过在特定溶液中发生特定化学反应来完成一些基本任务,例如安装和固定分子组件,打造分子产品。

由于体积微小,这些分子机器人在诸多领域具有广泛的应用前景,可以降低材料需求、加速药物研发、大幅减少能源消耗及推进产品微型化等目标。

“分子机器人技术代表了机械小型化的终极方向,但这只是一个开始,研究团队预计,在10到20年内,分子机器人将开始被用于在分子工厂的装配线上构建分子和材料。”大卫·雷教授说。

早在1950年代就有科学家提出构建分子机器。去年,法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦日教授、美国西北大学的J·弗雷泽·斯托达特和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加教授,因研究分子机器而获得诺贝尔化学奖。

1983年,索瓦日成功合成了一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子,这两个分子能够相对移动,从而迈出了创造分子机器的第一步。随后的1994年,斯托达特合成了“轮烷”,即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上,且环状分子能围绕这个轴上下移动,并实现了对分子运动的完全控制。

【工业之美】大小只有百万分之一毫米的分子机器人 代表了机械小型化的终极方向

斯托达特及其研究团队还分别在2004年、2005年构建出可以上升0.7纳米的“分子电梯”和可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”。

【工业之美】大小只有百万分之一毫米的分子机器人 代表了机械小型化的终极方向

经过十多年的研究,费林加设计的分子马达已经可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。目前,科学家们构建的分子马达转速已经可以与百年前的电动马达相媲美。

浙江大学黄飞鹤教授在接受《钱江晚报》采访时表示,分子机器就是一种新物质,然而从新物质被成功创造,到在人们生活中实现它的价值,中间还隔着千山万水。

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