化学课题 |宏大的微观世界——分子机器

空白派

课题背景
“人类可以把机器做到多小？”诺贝尔物理学奖获得者Richard Phillips Feynman在1984年在一次富有远见的演讲中提出了这个问题。
然而在短短的三十几年后，，2016年度的诺贝尔化学奖就表彰了Sauvage、Stoddart和Feringa三位化学家在设计和合成分子机器方面的卓越成就。他们将机器小型化，并推动化学到达一个新的维度。
中科院院士田禾表示，诺贝尔奖颁给分子机器是一个里程碑式的事件。“分子机器完全模拟和参照宏观的机器来制造，用通俗的话说，就是分子变成‘活’的了。化学家可以用人工合成的方法模拟生命体系，去做更复杂的与生命相关的体系，这是最重要的意义之一。”
就像当年电动马达彻底改变世界一样，这些分子机器也同样具有改变世界的潜力。它们有望能被用于新材料、新感受器和新能量储存系统的发展。
那么这些纳米级尺寸的分子机器究竟是如何设计、如何运动、以及如何通过科学仪器分析检测，是不是很值得了解一下？

课题方向
分子机器（molecular machine）是将能量转变为可控运动的一类分子器件，而分子器件则是具有一定组织结构和特定功能的化学体系所形成的超分子结构单元。在众多超分子结构单元中，两种特殊的组装体——索烃（catenane）（如图1所示）和轮烷（rotaxane）（如图2所示），既是促使分子机器雏形的产生，也是分子机器的常用基元（是Sauvage和Stoddart的主要研究对象）。而Feringa主要通过在双键基团上引入大位阻基团通过光照条件促使双键基团发生顺反式结构变化来实现分子级别的运动，而进一步设计成可以单向旋转的分子马达（如图3所示）。



图1. 基于铜离子的氧化还原控制索烃发生旋转形成分子机器雏形的示意图（图片来源：American Chemical Society）



图2. 通过氧化还原的方式或者pH的改变控制轮烷中环状分子在线形分子上的落点形成分子开关雏形的示意图（图片来源：Springer-Nature）



图3. 通过紫外光波长和温度的改控制含大位阻基团的双键发生明显顺反异构结构变化形成分子马达雏形的示意图（图片来源：Springer-Nature）

课题导师
徐博士，中山大学有机化学博士，现为中山大学化学学院副研究员，主要从事基于配位超分子化学理论进行纳米级超分子胶囊的设计与开发用于限域催化、药物传输等方面的基础研究。

课题内容
第一部分：分子机器的发展历程与研究现状
结合诺贝尔官方网站就2016年化学奖的相关报道，阅读网站上列出的文献资料，了解分子机器的基础知识，包括索烃和轮烷的知识、发展历程、以及研究现状。
第二部分：分子机器的表征手段
根据化学驱动、电化学驱动、pH（酸碱）驱动和光驱动这四类方式学习不同驱动条件下使用不同科学分析检测方法的研究模式。这些检测方法包括核磁共振波谱、电化学分析、紫外-可见光谱、圆二色谱、原子力显微镜等。
第三部分：文献检索、数据分析、及谱图绘制
学习使用化学类检索网站进行相关文献的搜索与整理，以及如何高效地阅读文献。结合实际数据，学习和使用专业的化学软件处理数据，绘制数表、化学结构式、以及示意图。
第四部分：模型设计与结题报告
参照所读的经典与前沿文献，仿照常规机器进行原创仿真设计，利用专业的化学软件做出仿真设计的示意图。最后，学习使用科学的思维、科学的语言组织和撰写实验报告。

博士推荐阅读
[1] http://stoddart.northwestern.edu/
[2] http://www.benferinga.com/
[3] http://www.catenane.net/
[4] Balzani, V.; Credi, A.; Venturi, M. Molecular Devices and Machines: Concepts and
Perspectives for the Nanoworld. Wiley-VCH, Weinheim,2008.
[5] Leigh, D. A. Genesis of the Nanomachines: The 2016 Nobel Prize in Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 14506-14508.
[6] Feringa, B. L. The Art of Building Small: From Molecular Switches to Motors (Nobel Lecture). Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 11060-11078.
[7] Sauvage, J.-P. From Chemical Topology to Molecular Machines (Nobel Lecture). Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 11080-11093.
[8] Stoddart, J. F. Mechanically Interlocked Molecules (MIMs)—Molecular Shuttles, Switches, and Machines (Nobel Lecture). Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 11094-11125.
[9] Kassem, S.; van Leeuwen, T.; Lubbe, A. S.; Wilson, M. R.; Feringa, B. L.; Leigh, D. A. Artificial Molecular Motors.Chem. Soc. Rev.2017,46, 2592-2621.
[10] 配位超分子结构化学——基础与进展.苏成勇,潘梅编著,科学出版社,北京,2010.

课题收获
学术研究硬实力的大幅提升
你将掌握学术研究的基本方法与思路，收获文献检索方法及论文阅读技巧，掌握生命科学领域的前沿理论，对相关问题有深入的思考。
研究成果的公开发表
你将拥有撰写实验报告或学术论文的逻辑思维与能力，以第一作者身份公开发表研究成果，并尝试专利申请，冲击全球顶级的科研赛事与学术会议。
顶尖导师推荐信
你将与博士导师建立深厚的个人联系，获得来自导师在学术、职业乃至生活上的指点，收获来自博士导师、具有极高可信度的推荐信。

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