[干货] 2016年诺贝尔化学奖 - 分子机器究竟是什么？

乔帮主

我是成楚旸，今年五月从美国西北大学化学系博士毕业，师从J Fraser Stoddart教授，目前是同一个组的博士后。
今天得知我的导师因在“分子机器的设计和合成”做出了杰出的贡献而与J-P Sauvage和B Feringa分享了今年的诺贝尔化学奖。得知这个消息的时候我，我的同事和圈子里的朋友们大多数是吃惊的。
为什么呢？因为我个人认为分子机器这个领域尚处于起步阶段，而且短时间内不会有能进入人们生活中的实际应用，但是领域内的专家们还是很乐观的，认为分子机器正处在一个相当关键的时期，最近两年有几篇关键的工作和综述发表出来。

Inspiredby biology, chemists have created a cornucopia of molecularparts that act as switches, motors and ratchets. Now it is time to do something usefulwith them.

Peplow, M. Nature 2015, 525, 18

The necessity to demonstrate applications thatharness the power of molecular machines to perform work on their environmentpresents an exciting and uniqueopportunity for researchers.

Weiss,P. S. et al. ACSNano2015, 9,7746

Thetantalizing prospect of artificial molecular machines that can perform useful tasks is movingever closer to becoming a reality.

Leigh,D. A. et al. Chem. Rev.2015, 115,10081

Researchinto wholly synthetic molecular machines appears to have reached a tippingpoint.

Cheng,C.; Stoddart, J. F. ChemPhysChem 2016, 17, 1780
在此强烈安利下我和我导师今年上半年受邀发表的一篇综述http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cphc.201501155/epdf 这篇文章开源的，知乎上你们洋文好的人不少，我写的自认为比较浅显。这篇综述可以回答“分子机器是什么？” “分子机器的发展历史是怎样的？” “分子机器都有那些种类？” “分子机器当前的发展状况是怎样的？” “分子机器近期有哪些出色的研究成果？” “分子机器的未来发展方向在哪里？”等等诸多问题。


我之前也回答过一个相关的问题：分子机器是通过化学反应制作出来的吗？ - 成楚旸的回答 这个答案是我在写上面哪篇综述的时候答的，包括了那篇综述中的部分思想。
这里我再简要的介绍一下分子机器的概念。分子机器的概念来自于分子生物学，过去半个世纪生物学家们向我们揭示了许多生命运转的秘密。1997年的化学诺贝尔奖颁给了Paul D. Boyer， John E. Walker和Jens C. Skou表彰他们在发现钠钾泵和ATP合成酶的工作机制。如果你看过哈佛大学制作的“inner life of the cell"短片的话，相信你也会和我一样感叹生命的神奇（
inside life of a cell
http://v.youku.com/v_show/id_XMTQwMDM2MjU2.html
）。细胞内许多功能的实现和我们宏观世界中的机器运转有异曲同工之妙。这些自然界的分子机器大多数是蛋白质组成的大分子，是大自然经过数十亿年的进化制造出来的。
生物学家给我们展示了生物大分子机器的神奇，作为化学家，我们学习自然，理解自然，下一步我们希望能用人工的分子模拟自然，最终希望能设计出一些自然界中没有的超于自然的新物质来造福人类。在上个世纪八十年代中左右，Sauvage最早提出了金属离子配位的模板合成，将索烃（最简单的索烃是指两个分子大环套在一起的结构）的合成效率大大提高，并且研究了索烃中一个环绕着另一个环旋转的现象。Stoddart于90年代初用给受体的模板合成了轮烷（一根两头大中间细的轴上套着个环）, 并研究了环沿着轴来回运动的现象。


（上图所示的是Stoddart 1991年发表的“分子梭”，蓝色的大环可以沿着轴在两个红色的苯环上来回随机运动，速度在室温下超过了1000次/秒）
而Feringa的工作相对独立的自成一系，我在之前的回答(在你的研究领域，你了解的最有趣的分子（molecule）是什么，为什么？ - 成楚旸的回答)里已经介绍过了。


Feringa精心设计了一个大位阻烯，光照下发生双键顺反异构，得到一个不稳定的异构体，在有热的情况下会自发异构化为稳定异构体，再进行一次光照顺反异构和热弛豫，即可完成一次单向的360度旋转。这是最早的在能量输入下可重复单向旋转的分子马达，发表于1999年。
可以说这三位科学家奠定了分子机器设计与合成的基石，在过去的二十多年里一批科学家跟随他们的脚步为分子机器这个新生的领域添砖加瓦。目前我们已经积累了许多可以用于以后设计更复杂分子机器的功能基团（相当于棘轮，曲轴，马达这些零件），未来的发展方向其中之一是如何能用这些我们已经有了的积木搭建出更复杂能完成更多功能的分子机器来。
我博士毕业论文正好做的是设计和合成一个分子机器（详见此知乎答案博士生毕业时要写的「毕业论文」和之前发表在期刊上的「学术论文」定位有什么不同？ - 成楚旸的回答）。最近两年已经有几例包含类似理念的分子机器工作发表了，通过输入能量给分子机器，让分子机器把低能态目标升高到高能态，即让分子机器可控的做功。这也是分子机器未来发展的方向之一。

再安利几篇我之前的专栏文章，都是分子机器的相关内容：
私货满满的序 - 化学札记 - 知乎专栏 (我的第一篇专栏文章)

分子马达的故事两则 - 化学札记 - 知乎专栏 (这篇有详细介绍Feringa的工作)

向大自然的致敬 - 化学札记 - 知乎专栏 (这篇介绍了David Leigh的工作，他是我老板早期的学生，现在也是分子机器领域做得非常突出的学者)

An Artificial Molecular Pump - 化学札记 - 知乎专栏 (这篇介绍了我自己博士期间最重要的工作，是如何设计与合成一个可运转的分子机器的非常漂亮的实例，强烈安利，毕竟我就做了这么点微小的工作）

之后这几篇都是近期做的非常棒的分子机器案例的解读：
近期分子机器文献精华 - 化学札记 - 知乎专栏

分子机械臂 - 化学札记 - 知乎专栏

又一种模拟核糖体的分子机器 - 化学札记 - 知乎专栏

化学能驱动的自动分子马达 - 化学札记 - 知乎专栏

==============正经的分割线=============
虽然对此次诺奖很吃惊，但是如果真要发给分子机器领域，我能想到拿奖的也就是这三个人。衷心祝贺他们三位，尤其是我老板，我真是太激动了！
另外，我在此郑重说明一下，这次消息出来了之后，有不少同行热议说是超分子领域第二次拿奖。我个人表示不同意这种说法，分子机器虽然和超分子化学渊源颇深，但不是分支和包含的关系。部分分子机器的构建用到了超分子化学原理，比如模板合成轮烷和索烃，但是合成得到的轮烷和索烃是分子而非超分子。而且Feringa的分子马达是有机小分子，只用了有机合成反应，其中不涉及超分子化学，所以如果说此次是超分子化学二次获奖就是把Feringa直接排除在外了，非常不妥。
=============正经的分割线==============
我和今年获奖的三位教授都有过接触，我导师自然不必说了，我在知乎晒老板已经不是一次两次了，反正就是我所能想到的好老板的点他都有。
读化学 PhD 是一种什么样的体验？ - 成楚旸的回答

在顶级研究小组读博士是什么感受？ - 成楚旸的回答

我导师和另外两位是几十年的老朋友，尤其Sauvage可以算是老基友了。在我刚开始读博士的时候Sauvage是西北的客座教授，每几个月就要来呆个一两个星期，来的时候就在我们实验室的办公室里。组里的师兄师姐特别乐意去找他讨论问题，他本身是个性格特别随和的老人，又对学术非常有热情，经常给出很多有建设性的意见。之前好几个师兄师姐毕业的时候几乎都把他当作第二导师。可惜我那时候才刚开始没有什么成型的项目，等我进入二年级的时候他就退休了这几年慢慢淡出学术圈了，应该是和老伴一起安享晚年了。
Feringa是三位里最年轻的，我在过去两年的学术会议上多次遇见他（因为分子机器的圈子很小，每次开会的都是那些人）。有次会上他给我们讲了他滑雪的故事，说他最自豪的一个奖不是化学奖而是滑雪奖。应该是荷兰当地的滑雪拉力赛，说他从早到半夜滑了200多公里最终完成了比赛，他把奖牌放在家里最显眼的位置。不知道现在这个位置会不会易主了呢：P
对了，最后再安利下我老板的书 The Nature of the Mechanical Bond: From Molecules to Machines http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1119044006.html



这本书是我师兄和老板花了大约两年时间写成的，今年十一月份出版，目前已经定稿了，但是估计现在老爷子又想再最后或者序里加东西了哈哈。里面有大量精美的彩图，强烈推荐想看的同学去学校的图书馆建议订购。以及，应该会出中文翻译的版本。

（感觉这个答案可以被我肢解复制粘贴不同的段落去好几个问题下骗赞了23333）

此文和引用的答案以及文章可规范转载，请注明来源知乎和作者成楚旸

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22775064