诺贝尔化学奖

1、中新网10月5日电 据诺贝尔奖官网消息，瑞典皇家科学 院于当地时间5日宣布，将2016年诺贝尔化学奖授予让- 皮埃尔索维奇(Jean-Pierre Sauvage)，J弗雷泽斯托 达特(J. Fraser Stoddart)和伯纳德L费林加(Bernard L. Feringa)，以表彰他们在分子机器设计与合成领域的 贡献。 2016年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 人物简介人物简介 01 主要贡献主要贡献 02 前景展望前景展望 03 人物简介人物简介 让让皮埃尔皮埃尔索维奇索维奇 让让 - 皮埃尔皮埃尔索维奇（索维奇（Jean- Pierre Sauvage），男，），男， 1944年出生于法

2、国巴黎，法年出生于法国巴黎，法 国化学科学家，斯特拉斯堡国化学科学家，斯特拉斯堡 大学教授。大学教授。2016年年10月月5日，日， 因在分子机器设计与合成方因在分子机器设计与合成方 面的突出贡献，获得面的突出贡献，获得2016年年 诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。 J.弗雷泽弗雷泽斯托达特斯托达特 詹姆斯詹姆斯弗雷泽弗雷泽斯托达特，斯托达特，1942年出生年出生 于英国爱丁堡。于英国爱丁堡。 1964年，在爱丁堡大学获得学士学位。年，在爱丁堡大学获得学士学位。 1966年，在爱丁堡大学获得博士学位。年，在爱丁堡大学获得博士学位。 1967年赴加拿大女王大学国家研究委员年赴加拿大女王大学国家研究委

3、员 会，担任博士后研究员。会，担任博士后研究员。 1970年在谢菲尔德大学担任帝国化学工年在谢菲尔德大学担任帝国化学工 业项目研究员及化学讲师。业项目研究员及化学讲师。 1978年担任加州大学洛杉矶分校高级访年担任加州大学洛杉矶分校高级访 问学者。问学者。 1982年在爱丁堡大学获得理学博士学位。年在爱丁堡大学获得理学博士学位。 伯纳德伯纳德L费林加费林加 荷兰合成有机化学家，出荷兰合成有机化学家，出 生于生于1951年，他于年，他于1978 年在荷兰格林罗根大学取年在荷兰格林罗根大学取 得博士学位，现任格林罗得博士学位，现任格林罗 根大学化学系教授、荷兰根大学化学系教授、荷兰 科学院副院长。

4、他的研究科学院副院长。他的研究 兴趣包括立体化学、有机兴趣包括立体化学、有机 合成、非对称催化、分子合成、非对称催化、分子 开关及机器、自组装及分开关及机器、自组装及分 子纳米系统。子纳米系统。 获奖理由获奖理由 这三位化学家成功的研发了这三位化学家成功的研发了“世界上最小的机世界上最小的机 器器”，比头发要小，比头发要小10001000倍。这是可控的分子，倍。这是可控的分子， 这些这些“分子机器分子机器”一旦被施加能量后，就可以一旦被施加能量后，就可以 完成预先设定好的任务。诺贝尔委员会在公告完成预先设定好的任务。诺贝尔委员会在公告 里称赞道：里称赞道：“获奖者们实现了该机器的微型化，获奖者

5、们实现了该机器的微型化， 并把化学带入了一个新的领域。并把化学带入了一个新的领域。” 杰出的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德杰出的美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德费曼先生，费曼先生， 曾经在曾经在19841984年提出了一个问题：年提出了一个问题：“制造极其微小的、有制造极其微小的、有 可移动部件的机器的可能性有多大？可移动部件的机器的可能性有多大？” 而而20162016年诺贝尔化学奖则很好年诺贝尔化学奖则很好 地回答了这个问题：人类目前地回答了这个问题：人类目前 已经能够做出相当于头发丝直已经能够做出相当于头发丝直 径千分之一大小的机器。径千分之一大小的机器。 那那么登上诺贝尔领奖台的分么

6、登上诺贝尔领奖台的分 子机器究竟什么来头？制造子机器究竟什么来头？制造 这号称世界上最小的机器究这号称世界上最小的机器究 竟有多大的难度？它又能够竟有多大的难度？它又能够 为人类带来怎样的福音呢？为人类带来怎样的福音呢？ 下面就让我们走进分子机器下面就让我们走进分子机器 的微妙世界。的微妙世界。 这个这个“机器机器”不简单不简单 一提到机器，我们首先都会联想到金属材一提到机器，我们首先都会联想到金属材 质的大型机器。然而我们这里要讲的分子质的大型机器。然而我们这里要讲的分子 机器，是指由分子尺度的物质构成、能行机器，是指由分子尺度的物质构成、能行 使某种加工功能的机器，其构件主要是蛋使某种加工

7、功能的机器，其构件主要是蛋 白质等生物分子。简单地说，分子机器就白质等生物分子。简单地说，分子机器就 是由三位科学家通过人工创造的一种比纳是由三位科学家通过人工创造的一种比纳 米尺度还小的新物质。这种分子特别小，米尺度还小的新物质。这种分子特别小， 是以原子为材料，可以称之为目前世界上是以原子为材料，可以称之为目前世界上 的最小机器。这种的最小机器。这种“世界上最小的机器世界上最小的机器” 是在分子层面上设计开发出来的机器，可是在分子层面上设计开发出来的机器，可 以进行可控的运动，在向其充能时可移动以进行可控的运动，在向其充能时可移动 执行特定任务。诺贝尔奖委员会表示，分执行特定任务。诺贝尔奖

8、委员会表示，分 子机器将最有可能应用于开发新的材料、子机器将最有可能应用于开发新的材料、 传感器和能量存储系统。传感器和能量存储系统。 “三步走三步走”造出分子机器造出分子机器 作为世界上最小的机器，实现纳米尺度作为世界上最小的机器，实现纳米尺度 上的驱动与空寂，难度可想而知。相较上的驱动与空寂，难度可想而知。相较 于技术操作上的高难度，分子机器的设于技术操作上的高难度，分子机器的设 计原理就简单许多。通常，分子是由原计原理就简单许多。通常，分子是由原 子间形成的共价键组成的，比如两个氢子间形成的共价键组成的，比如两个氢 原子和一个氧原子由共价键连接形成水原子和一个氧原子由共价键连接形成水 分

9、子。但是，分子机器却是在非共价键分子。但是，分子机器却是在非共价键 弱相互作用力下由不同的构筑基元组装弱相互作用力下由不同的构筑基元组装 而成，就像堆积木，不同形态的积木组而成，就像堆积木，不同形态的积木组 合成不同的结构，而后通过化学反应使合成不同的结构，而后通过化学反应使 这种结构稳固下来。这种结构稳固下来。 那么，科学家又是怎样一步一步实现了那么，科学家又是怎样一步一步实现了 分子机器的组装呢？分子机器的组装呢？ 让-皮埃尔索维奇把分子聚集在一个铜离子周围 他的研究组构建了一个环状的分子他的研究组构建了一个环状的分子 和一个新月形的分子，并使这两种和一个新月形的分子，并使这两种 分子能够

10、被铜离子吸引；铜离子作分子能够被铜离子吸引；铜离子作 为凝聚力让这些分子呆在一起。接为凝聚力让这些分子呆在一起。接 下来，研究组利用化学手段将新月下来，研究组利用化学手段将新月 形的分子和另一个分子形的分子和另一个分子“焊接焊接”到到 一块，这样一来，另一个环就形成一块，这样一来，另一个环就形成 了了它与之前的环状分子组成了它与之前的环状分子组成了 锁链的第一个环扣。这时，研究者锁链的第一个环扣。这时，研究者 能够移走已经完成任务的铜离子。能够移走已经完成任务的铜离子。 让让-皮埃尔皮埃尔索维奇很快意识到分子锁索维奇很快意识到分子锁 链（称为链（称为“索烃索烃”，catenanes） 并不只是

11、一类新的分子。他认识到并不只是一类新的分子。他认识到 自己已经迈出了创造分子机器的第自己已经迈出了创造分子机器的第 一步。一步。 弗雷泽斯托达特：把一个分子环串到了一个分子轴上 斯托达特开发出了让他获得斯托达特开发出了让他获得2016年年 度诺贝尔奖的分子，利用的正是分度诺贝尔奖的分子，利用的正是分 子间的互相吸引。子间的互相吸引。1991年他的团队年他的团队 造出了一个开环，上面缺乏电子；造出了一个开环，上面缺乏电子； 还造出一根长棒（轮轴），这根轴还造出一根长棒（轮轴），这根轴 上有两处富集电子。当这两种分子上有两处富集电子。当这两种分子 在溶液中相遇时，缺电子的那个就在溶液中相遇时，缺电

12、子的那个就 会被有电子的那个吸引，于是环被会被有电子的那个吸引，于是环被 套进了轴上，接下来把环加以闭合，套进了轴上，接下来把环加以闭合， 让环不会掉下来。于是他们以极高让环不会掉下来。于是他们以极高 的产率得到了的产率得到了“轮烷轮烷”：一个环状：一个环状 分子以机械作用套在一个轴上。分子以机械作用套在一个轴上。 1994年，斯托达特改进了他的设年，斯托达特改进了他的设 计，让链状分子的两端分别带有计，让链状分子的两端分别带有 不同的结合位点，这一新的分子不同的结合位点，这一新的分子 穿梭机在水溶液中试验成功。改穿梭机在水溶液中试验成功。改 变溶液的酸碱度，可以让环状分变溶液的酸碱度，可以让

13、环状分 子在位点间实现可逆的来回移动，子在位点间实现可逆的来回移动， 使得该使得该“穿梭机穿梭机”在某种程度上在某种程度上 变成了一种可逆型开关。这种可变成了一种可逆型开关。这种可 逆型开关在未来不仅可用于制造逆型开关在未来不仅可用于制造 热敏、光敏或是感受特定化学物热敏、光敏或是感受特定化学物 质的传感器，还可用做体内纳米质的传感器，还可用做体内纳米 级药物载体的开关，在正确的时级药物载体的开关，在正确的时 间和地点释放药物。间和地点释放药物。 费林加：建造了第一个分子马达费林加：建造了第一个分子马达 而费林加则完成了第三步，成功开发而费林加则完成了第三步，成功开发 出了世界上第一个分子马达

14、。出了世界上第一个分子马达。1999年，年， 费林加发明出了可以向同一个方向不费林加发明出了可以向同一个方向不 停旋转的分子转子叶片：它含有两个停旋转的分子转子叶片：它含有两个 相同的叶片单元，当分子被暴露在紫相同的叶片单元，当分子被暴露在紫 外线光的脉冲下，一个动叶片围绕中外线光的脉冲下，一个动叶片围绕中 间的双键跳了间的双键跳了180度。然后，棘轮移动度。然后，棘轮移动 到指定位置。随着下一个光脉冲的带到指定位置。随着下一个光脉冲的带 来，动叶片又跳了来，动叶片又跳了180度。如此持续下度。如此持续下 去，分子马达就会朝同一个方向旋转去，分子马达就会朝同一个方向旋转 起来。现在他的研究小组

15、已经将其优起来。现在他的研究小组已经将其优 化，转速可达每秒化，转速可达每秒1200万转。利用分万转。利用分 子马达，他驱动了一个子马达，他驱动了一个28微米长、比微米长、比 马达本身大马达本身大1万倍的玻璃圆筒。万倍的玻璃圆筒。 2011年时，研究组还制造了一个四轮驱动纳米车，一年时，研究组还制造了一个四轮驱动纳米车，一 个分子底盘将四个马达联结在一起，当作车轮使用。个分子底盘将四个马达联结在一起，当作车轮使用。 当车轮旋转时，纳米车就在表面上向前行驶。当车轮旋转时，纳米车就在表面上向前行驶。 前景展望前景展望 科学家们表示，未来分子机器的应用前景将是科学家们表示，未来分子机器的应用前景将是

16、“无限的无限的”：分子机器可：分子机器可 以搭载药物，进行药物的定点精确释放；它还可以成为微小的存储单元，以搭载药物，进行药物的定点精确释放；它还可以成为微小的存储单元， 进行高密度存储等。进行高密度存储等。 科学家认为，分子机器的诞生是一次具有深远意义的革命，很有可能做科学家认为，分子机器的诞生是一次具有深远意义的革命，很有可能做 出在血管中流动的机器人，然后找到恶性肿瘤组织，释放治癌药物，彻出在血管中流动的机器人，然后找到恶性肿瘤组织，释放治癌药物，彻 底攻克癌症。除了可以用于治疗疾病，考虑到分子机器大小仅有头发粗底攻克癌症。除了可以用于治疗疾病，考虑到分子机器大小仅有头发粗 细的千分之一

17、，还可以将其置于体内监测人体的健康状况，应用于预防细的千分之一，还可以将其置于体内监测人体的健康状况，应用于预防 疾病等方面。疾病等方面。 从发展的角度看，现在的分子马达就相当于从发展的角度看，现在的分子马达就相当于1830年代的电动马达，那时年代的电动马达，那时 的研究者会在实验室里骄傲地展示各式各样的旋转曲柄和动轮，而丝毫的研究者会在实验室里骄傲地展示各式各样的旋转曲柄和动轮，而丝毫 不知这些东西将导向电动火车、洗衣机、风扇和食物处理器。不知这些东西将导向电动火车、洗衣机、风扇和食物处理器。 获奖理由获奖理由 这三位化学家成功的研发了这三位化学家成功的研发了“世界上最小的机世界上最小的机

18、器器”，比头发要小，比头发要小10001000倍。这是可控的分子，倍。这是可控的分子， 这些这些“分子机器分子机器”一旦被施加能量后，就可以一旦被施加能量后，就可以 完成预先设定好的任务。诺贝尔委员会在公告完成预先设定好的任务。诺贝尔委员会在公告 里称赞道：里称赞道：“获奖者们实现了该机器的微型化，获奖者们实现了该机器的微型化， 并把化学带入了一个新的领域。并把化学带入了一个新的领域。” 这个这个“机器机器”不简单不简单 一提到机器，我们首先都会联想到金属材一提到机器，我们首先都会联想到金属材 质的大型机器。然而我们这里要讲的分子质的大型机器。然而我们这里要讲的分子 机器，是指由分子尺度的物质构成、能行机器，是指由分子尺度的物质构成、能行 使某种加工功能的机器，其构件主要是蛋使某种加工功能的机器，其构件主要是蛋 白质等生物分子。简单地说，分子机器就白质等生物分子。简单地说，分子机器就 是由三位科学家通过人工创造的一种比纳是由三位科学家通过人工创造的一种比纳 米尺度还小的新物质。这种分子特别小，米尺度还小的新物质。这种分子特别小， 是以原子为材料，可以称之为目前世界上是以原子为材料，可以称之为目前世界上 的最小机器。这种的最小机器。这种“世界上最小的机器世界上最小的机器” 是在分子层面上设计