前言，驚聞袁老仙逝，哀悼，走好！
三位科學家獲獎
瑞典時間2016年10月5日11時45分（北京時間17時45分），瑞典皇家科學院秘書長戈蘭·漢松（GöranK。Hansson）宣佈，將2016年諾貝爾化學獎授予法國的讓-皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage），美國的J。弗雷澤·斯托達特（J。 Fraser Stoddart）和荷蘭的伯納德·L·費林加（Bernard L。 Feringa），以表彰他們在 “分子機器的設計與合成”方面做出的貢獻。三位科學家將平均分享800萬瑞典克朗（約合93。33萬美元）的獎金。
獲獎者介紹
讓-皮埃爾·索維奇
（Jean-Pierre Sauvage），1944年10月21日出生於法國巴黎。獲獎時工作單位：法國斯特拉斯堡大學。
諾貝爾獎獲得者：讓-皮埃爾·索維奇
讓-皮埃爾·索維奇出生於法國巴黎。1971年，他在斯特拉斯堡的路易斯·巴斯德大學獲得博士學位。後來的諾貝爾獎得主傑馬裡·萊恩（Jean-Marie Lehn）是他的導師。他曾在法國國家科學研究中心（CNRS）工作，是斯特拉斯堡大學的教授。
1983年，索維奇成功合成兩個環緊密巢狀在一起的索烴，並意識到這是邁向構建分子機器的第一步。隨後實現了外界條件對分子機器的控制。
J.弗雷澤·斯托達特
（J。 Fraser Stoddart），1944年5月24日出生於英國愛丁堡。1966年從愛丁堡大學獲得博士學位。獲獎時工作單位：美國伊利諾伊州的西北大學。
諾貝爾獎獲得者：J。弗雷澤·斯托達特
弗雷澤·斯托達特出生於蘇格蘭愛丁堡。他在愛丁堡大學學習，並於1966年獲得博士學位。他曾在加拿大安大略省金斯頓皇后大學、英國謝菲爾德大學、ICI公司實驗室、英國伯明翰大學、美國加州大學洛杉磯分校和美國伊利諾斯州埃文斯頓西北大學工作。弗雷澤·斯托達特與諾瑪·斯托達特結婚，並育有兩個孩子，但他的妻子在2004年去世。
斯托達特在1991年合成了一種輪烷，一個環狀分子被穿在軸狀分子上，形成機械結合體。隨後他實現酸鹼或氧化還原控制下輪烷中大環在軸上的平移運動，並實現對其運動狀態完全控制。隨後他還利用多種不同的輪烷製造了大量的分子機器。
伯納德·L·費林加
（Bernard L。 Feringa），1951年5月18日出生於荷蘭的巴格-康帕斯科姆（Barger-Compascuum）。1978年從荷蘭格羅寧根大學獲得博士學位。獲獎時工作單位：荷蘭的格羅寧根大學。
諾貝爾獎獲得者：伯納德·L·費林加
伯納德·費林加出生在荷蘭的巴格-康帕斯科姆，家裡有一個農場。他在格羅寧根大學學習，並於1978年獲得博士學位。在荷蘭和英國的殼牌石油公司工作了幾年之後，他加入了格羅寧根大學。伯納德·費林加已婚，有兩個女兒。
1999年，費林加製造了第一個分子馬達，他透過巧妙的設計使得分子馬達在機械構造上能耐朝著一個特定的方向旋轉，成功實現將光能和熱能轉化為機械能。隨後費林加還製造了一款四驅的奈米分子汽車，在外加電場作用下可以使輪子旋轉，汽車就會前行。
獲獎工作介紹
1776年，詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）製造出世界上第一臺有實用價值的蒸汽機。此後瓦特又經過一系列重大改進，使其功能愈加完善，並在多種行業上得到了廣泛應用。自此之後，人類不斷製造各種各樣的機器，極大提高了生產力。
瓦特
現在，機器在我們的生活中發揮了巨大的作用，各種各樣新功能的機器也在不斷被髮明製造出來。同時隨著科技的發展和製造技術的進步，各種機器的尺寸都可以做到更小的形式。畢竟尺寸越小，對能源的消耗就越低。我們也希望用最低的成本做更多的事。
機器是由各種金屬和非金屬部件組裝成的裝置，消耗能源，可以運轉、並對外做功。它可以用來代替人的勞動、進行能量變換、資訊處理、以及產生有用功。隨著科學技術的發展，機器的概念也在不斷地更新和變化。
那麼，問題來了，最小的機器能有多小呢？1984年，美國物理學家、諾貝爾獎得主理查德·費曼（Richard Feynman）在一場演講中也提出了這個問題，當然作為一位獲得諾獎的大家，費曼並不是天馬行空就提出問題的，這個問題是基於他在上世紀50年代對奈米技術發展的預測而提出來的。費曼推測未來會出現奈米技術，並預言出現分子機器。
我們先來了解一下奈米，奈米是一個長度單位，1奈米=10^-9米。做個比較，一根頭髮的的直徑約0。05毫米，就等於5萬奈米。當材料處在奈米尺寸時，就會有一些特殊甚至反常的性質，例如銅到奈米尺度就變得不導電，而絕緣的二氧化矽在奈米尺度時卻可以導電。這是由於奈米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所佔比例大等特點，以及其特有的三大效應：表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當材料有一維尺寸小於100奈米時，就可以稱為奈米材料。
1981年，掃描隧道電子顯微鏡的發明，使得人們可以觀察到原子分子大小的東西，這也為奈米技術的發展提供了最重要的工具。
其實在自然界中，奈米器件早就存在了，例如，生物在細胞和生物膜內就存在奈米級別的結構。生命的正常運轉離不開細胞內的分子機器和分子馬達，如ATP合成酶，驅動蛋白和DNA複製酶等。每個細胞的生理活動就屬於分子機器的範疇。
科學的發展也遵循著理解自然，模擬自然，超越自然的規律。生物學家解釋了自然界中的分子機器的運轉原理後，化學家的任務就是透過人工合成小分子來模擬這些大分子。即便是有了參照物，奈米尺度的分子機器的發展仍然經歷了艱苦的求索過程。
科學的發現總是出乎意料的。化學家索維奇原本的研究領域是光化學，他起初想研究一種能捕獲光能的分子複合物，在這個過程中，它合成了一種稱為索烴的分子，如下圖所示，他利用了一個環狀的分子，一個銅離子，還有一個半月形分子，在配位作用下，它們會吸引在一起，接著再利用另一個半月形分子，兩個半月形分子發生反應形成一個環，然後移去銅離子，這樣兩個環就巢狀在一起了，也就是索烴。
索烴的合成示意圖
在索維奇之前，類似於索烴這種型別的分子的合成極具難度，因為要將一條長鏈狀的分子恰好穿過一個環狀分子（這個只能寄希望於虛無縹緲的機率），然後把連狀分子連線在環狀分子上，再把長鏈分子關環形成一個新的環狀分子，再切斷兩個環狀分子之前存在的連線，這樣兩個環狀分子就跟索烴一樣是相互鎖住的了。但這種方法步驟繁瑣複雜，合成難度大，產率低。而索維奇僅用三步就能做到而且產率在20%以上。
索烴中的兩個環是相互鎖住的，如果不是暴力破壞化學鍵的話，這兩個環是不能分開的。但是這兩個環是可以互相轉動的。比如，上面的索烴，有銅離子時，兩個環會形成第一種構型，當移去銅離子後，就會形成其它的構型。這時候銅離子就相當於一個開關，能夠控制這兩個環的相互位置關係。
索烴除了這麼簡單的結構外，化學家還合成了多種美麗結構的索烴，如三葉形扭結、所羅門結和博羅梅安環等。
其它結構的索烴
索維奇不久之後就意識到索烴是邁向了通向構建分子機器的第一步。機器要能執行一定的功能，它必須包含數個能相互協同工作的部件，而索烴中兩個互相勾住的環剛好能夠滿足這一條件，因為這兩個環由於距離太近，相互之間存在一定的相互作用。1994年，索維奇又設計合成了另一個更復雜的索烴，將刺激響應機制引入分子機器中，實現了外界條件對分子機器的控制，具體是利用鄰二氮菲和聯三吡啶對一價銅和二價銅結合能力的不同實現了氧化還原控制下索烴中一個環相對於另一個環的擺動。
氧化還原控制索烴中大環的擺動
這是人工合成分子機器的第一個雛形，分子機器的第二個雛形由斯托達特完成的。
1991年，斯托達特合成了一種叫做輪烷的特殊分子。他先合成了一種缺電子的分子環，但這個環暫時還沒有關環，與此同時他們還合成了一個富電子的細長型的分子（相當於汽車中的傳動軸），當這兩種分子在溶液中相遇時，缺電子和富電子的兩個分子，立馬互相結合了，下一步，研究組把之前的分子環關閉形成真正的環，得到了一個環狀分子和軸狀分子的機械結合體。
斯托達特的輪烷合成示意圖
斯托達特下一步利用分子環的自由性使得它能沿著軸移動：當他對這個結合體加熱時，這個分子環開始在富電子的軸兩端之間前後跳動，就像縫紉機的梭子。到了1994年，斯托達特跟索維奇一樣，也獨立將刺激響應機制引入分子機器的設計中，具體是利用聯苯胺在質子化或氧化後不如聯苯胺富電子實現酸鹼或氧化還原控制下輪烷中大環在軸上的平移運動，已經做到對其運動狀態完全控制，打破了化學體系中佔據主導性的隨機性。
氧化還原或酸鹼控制下輪烷中大環的平移運動
從1994年之後，斯托達特利用多種不同的輪烴製造了大量的分子機器，包括一臺電梯，其上升到的高度可達0。7奈米。
斯托達特的分子電梯
斯托達特還合成了一種人造肌肉，這塊肌肉成功彎折了一片很薄的黃金薄片。司徒塔特還與其他研究者合作開發了一種輪烴製造的計算機晶片，其記憶體為20kB，這可比現在的電晶體體積要小得多了，這種分子晶片技術或許在未來將有望顛覆現有的計算機晶片技術。
在現代機械中，電動機或內燃機是機械動力的主要來源，對於分子機器來說亦是如此。對於此時的分子機器來說，還缺少一個分子馬達，一個能夠持續不斷沿著同一個方向轉動的分子馬達。90年代許多人做過很多的嘗試，但第一個摘得桂冠的是荷蘭人伯納德·費林加。
特定的烯烴在一定波長的光激發下可以進行順反異構，費林加根據這一現象，最初希望採用大位阻的烯烴設計一種光響應的分子開關。
1999年，費林加製造出第一個分子馬達。通常情況下，一個旋轉的分子向左轉和向右轉的次數是相等的。但是費林加透過巧妙的設計使得分子馬達在機械構造上能耐朝著一個特定的方向旋轉。分子馬達在光照條件下經歷兩個烯烴順反異構和兩個熱弛豫過程實現360°單向旋轉的過程。精心設計的大位阻烯烴和巧妙佈置的立體構型位阻基團使得熱弛豫成為不可逆轉的單向過程，保證了分子馬達在光照下的單向轉動。成功實現將光能和熱能轉化為機械能。當分子暴露在紫外光的脈衝下，一個動作葉片繞中間的雙鍵跳了180°，甲基移動到指定位置，迫使分子只能以一個方向轉動。隨著下一個光脈衝的帶來，動葉片又跳了180°。持續下去，分子馬達就會朝著同一個方向旋轉。經過最佳化後，分子馬達的轉速可達每秒1200萬轉。
費林加設計的光碟機動單向旋轉的分子馬達
2011年，費林加製造了一款四驅的奈米分子汽車。在分子底盤下安裝了四個分子馬達作為輪子。四個輪子是兩組對稱性不同的分子馬達，在外加電場作用下可以使其向同一個方向轉動。透過STM觀測表明，輪子旋轉時，汽車就會前行。奈米汽車跟我們日常生活的電動汽車具有類似的功能。
費林加合成的四驅奈米汽車
對於分子機器來說，分子內的相對運動是實現其功能的基礎，目前主要包括以下幾種型別，雙鍵的順反異構和單鍵的旋轉，以及包括索烴和輪烷在內的機械互鎖分子能實現的基本運動模式。
分子機器有兩個層面上的應用，一個是微觀上面的，也就是透過分子機器的執行實現分子級別的操控，完成分子級別上的任務，也就是符合我們理解的分子機器；另一個是宏觀層面上的，將分子機器整合到功能材料設計中，透過分子機器的執行實現材料性質的改變。
總結來說，在分子機器的發展過程中，索維奇是分子機器領域第一個製造輪胎的人，斯托達特是第一個製造馬車的人，而費林加就是第一個製造汽車的人。
參考文獻
［1］ https：//www。nobelprize。org
［2］段威力，崔樹勳。分子機器：分子水平上的超微型器件——2016年度諾貝爾化學獎成果簡介［J］。科技導報，2016，34（24）：34-38。
［3］成楚暘。淺談2016年諾貝爾化學獎：分子機器［J］。大學化學，2017，32（01）：1-8。
