Supraheroes

“我不太确定这星球上我吧!“有点茫然本Feringa喋喋不休地说下电话,24小时后发现他是今年的诺贝尔奖得主之一。显然,他还需要一段时间来回到地球。“我仍然没有意识到发生了什么事对我来说,”他继续说。我太荣幸了。这是一个梦想成真!”

追求大的梦想是Feringa连同其他奖获得者弗雷泽·斯图达特和让-皮埃尔·萨特,总是被吸引到。通过他们的非凡的创造力三人,是谁获得今年的奖的分子机器的设计和合成,给了今天的化学家访问工具箱互动像真人一样大小的纳米级变形齿轮、开关、活塞和螺旋桨。有一天,这些可能会发现他们的肌肉最微小的机器人;智能的基础形式,可切换的药物输送系统;或激活新的响应材料。

大卫利斯托达特,一次性的学生现在带领自己的小组在曼彻斯特大学的分子机器,英国,总结了兴奋陶醉的尽快通过社区奖宣布:“这绝对是了不起的领域!这是一个很好的识别真正的鼓舞人心的和巧妙的发明。”

戒指和事情

的化学家用来看看他们的分子仍然,一动不动的物种…人从不关心试图将分子系统控制的方式,“记得让-皮埃尔•萨特说必威体育 红利账户在法国后不久宣布从他家里。

这种思维方式开始改变在1980年代早期,当萨特,谁是在路易·巴斯德大学(现在斯特拉斯堡大学的一部分,在那里他仍然是一个名誉教授),发现了一个新方法使机械联锁分子,分子环和轴,可以模拟宏观机器的运动部件。

“萨特的人,但是一个真正的天才之举,意识到你可以让这些类型的架构通过共价相互作用和自组装效果,”李说。”他的伟大成就是把这些东西从分子unmakeable,成为化学家可以染指的事情。”

萨特本人也不是第一个进行联锁分子。两索烃——两个大环的环连接像链链接轮烷,它由一个macrocycle螺纹到dumbbell-like分子与笨重的“塞”地区杆两端——在1960年代被成功合成。但那时他们几乎不可能在任何有意义的量。年复一年,尽管尽了最大努力合成化学家,收益率仍令人沮丧地低。

在1980年代早期,萨特是一个photochemist而不是显而易见了。他和他的同事感兴趣的人工光合作用,并寻找过渡金属配合物与长寿激发态电子转移。我们遇到了一个铜复杂,原来是非常活跃的光化学性质,但也是理想的前兆索烃,”他回忆说。

复杂的由两个月牙形配体缠绕在铜(i)离子。,我们意识到,(它)非常非常近,它像是个non-cyclised索烃,”萨特说。然后发现这可能是转换成索烃通过连接开放的新月体形成环,然后去除铜离子。¹这个模板的方法要简单得多比先前的路线使联锁结构,并允许他们在比以往更高的收益率。它解救了化学领域的拓扑和开启一个全新的世界的可能性。

今天,大量的机械联锁的形状就是用的那种互动特集团首创。他正在使用的工具在不同领域。利集团以在他们的机器使用更加复杂的分子相互作用。从今年仅包括一个亮点系结构,可以催化反应;rotaxane-like”大分子来译的三棒穿过一个环;甚至是一个基本的分子机器人用一只胳膊捡和携带货物分子的能力。

萨特自己很快从制造简单的索烃,以在早期产生一些复杂的形状——包括1989年三叶草的结萨特记得作为一个“可怕的合成的挑战”。²对三叶草的人说结但没人曾有过一个,我们认为“好的,让我们试着做它!”他说。

从分子到机器

斯托达特也吸引到一个挑战。当涉及到分子机器,他说,“你只得到完全连接!”

他对联锁分子的兴趣,后来分子机器,也在1980年代开发的,而他在帝国化学工业公司工作,在英国谢菲尔德大学。

“灵感来自两个来源,”他说。“艺术是我的大爱之一…其次,我是爱丁堡附近的一个农场长大在1950年代没有电力,直到我17岁。我一点点的一名工程师。我学到了很多关于剥离下来,把汽车和拖拉机。”

在整个1980年代,Stoddart集中他对工程在纳米尺度上的热情。”斯托达特使用其他类型的非共价相互作用的索瓦-(他)意识到,他可以做同样的事情,说,芳香堆积相互作用,在萨特金属模板交互使用,使轮烷和索烃,”李说,他是一个博士生在斯托达特谢菲尔德组。他意识到,这些机械联锁结构允许你得到大幅度动作的组件,和他意识到可能是有用的分子机器。

突破发生在1990年代初,当时斯托达特——然后在英国伯明翰大学——是能够做出的第一个可控分子开关——一个rotaxane带正电的戒指,可以“剪”到杆轴承两个电子的“加油站”,然后使用氧化还原化学之间的移动。³

“我们选择tetrathiafulvalene(车站之一)后的探索,因为这爱进去(环),”斯托达特解释道。果然,当我们把它融进了哑铃杆组件,(环)真的想坐在那里90%的时间。现在我们有一个开关,因为我们有氧化还原活性tetrathiafulvalene单位,我们会一起把一两个电子。这使得tetrathiafulvalene带正电荷,所以它排斥戒指(四个正电荷)杆到卸货1,5-dioxynaphthalene站。

萨特的团队,与此同时,也开始探索使用电子控制机械联锁的运动组件或光化学。在整个1990年代,两组展示了各种控制系统。正如Stoddart所说:“一旦我们制定了第一个开关,我们像没有人的业务!一些最引人注目的例子在世纪之交包括特集团rotaxane“菊花链”——以两个纠缠环可以扩展和收缩,⁴和斯托达特的集团分子提——一个平台做的几个联合rotaxane环螺纹上不同的轴,该举措之间不同的“地板”。⁵

方向盘

特指出,大量的工作在那个时候灵感来源于自然的分子机器:支撑过程的酶和蛋白质由生物体。当然我们欣赏大自然可以实现,”他说。特别是驱动蛋白,这是一种酶,这种酶可以走在微管,和(酶)ATP合酶是一个回转马达,“我们认为我们一天使分子化学家可以让人想起那些在生物系统中找到。”

在整个1980年代和90年代索瓦,斯托达特和他们的组织继续扩大连锁分子的运动和控制能力。这包括某些形式的旋转——萨特的团队使索烃一环可以驱动旋转通过光或热,例如。但Feringa集团荷兰格罗宁根大学发布了第一个完全可控的分子马达。

斯托达特和萨特,Feringa感兴趣的分子开关,努力开发基于光活性手性分子开关,可以来回切换配置产生开关效应。第一个真正的回转马达,Feringa说,本质上是一个幸运的意外。

“十年之后,我们已经开发了几个开关…我们发现的一个开关不仅改变手性,但显然又迈进了一步,”他解释说。

分子的问题包括两个“刀片”isomerise C = C双键,有效地旋转180度当暴露于紫外线。Feringa和他的同事们很快意识到防止这个旋转的分子可以改造形式扭转方向通过添加ratchet-like甲基结构。脉冲紫外线使叶片连续在同一方向旋转,就像一个螺旋桨旋转的轴。⁶

一旦基本机制,团队迅速调整和改进汽车的性能在随后的几年里。“我们让第二代汽车;我们做了第三代发动机。我们的速度大大增加,Feringa说。两年前,他们公布了一项运动,可以旋转以每秒1200万转。

下一步是让汽车做的事情。的一个重大突破时显示,我们可以移动一个微观物体,“Feringa说。我们把汽车放在柔软的液晶材料,把杖放在上面,10000倍的大小分子马达,旋转杆。这是一个独特的时刻,因为第一次,我们可以看到运动对象的用肉眼。“后来著名的nano汽车、一个中心结构,可以沿着表面使用四个分子马达驱动车轮。⁷

这并不总是简单的我可以告诉你。在《科学》杂志上,得到失败,很多失败,Feringa说。我们有一些美丽的时刻,但我们也灾难性的时刻,这就是它的全部。但也很有趣,我发现这是一个伟大的特权与所有这些大学的年轻恒星。

在他的团队协作精神显然是重要的。时刻在他获得诺贝尔奖宣布后,一段视频的情感Feringa感谢的很多学生和同事聚集在他的实验室开始在网上流传。我感到非常自豪的人,在我的团队多年来工作。他说,这反映出许多艰巨的挑战和突破过去和现在的成员组了。

史蒂芬弗莱彻英国牛津大学的说话时间Feringa实验室的博士后工作的喜爱。“这是一个非常刺激的环境,”他说。“和本很擅长试图与他共事的人认为大,享受他们在做什么。这是一个很好的环境科学家。”

现在和未来

他们之间,在过去的几十年里,所有三个奖得主培养数百名学生和青年科学家。许多的灵感来自他们的导师的工作,建立自己的世界各地的研究小组,推动原始想法的新方向。这些早期的拓荒者的工具发达的科学奠定了基础,现在蓬勃发展,随着分子机器变得更复杂和更可控。李说,下一步是将这些工具转化为现实世界的应用。有很多承诺,但现在化学家所要做的是利用分子机器做不可能的事情已经在一种更简单的方法,并实际使用他们试图使一种分子纳米技术工作,”他说,尽管他警告说,试图猜出凶手应用程序将在这个阶段是“有点像问石器时代的人,当他建造了轮子,预测高速公路”。

住在斯德哥尔摩宣布通过电话,Feringa使用类似的比喻,说‘我感觉有点像莱特兄弟第一次飞行机100年前。人问“为什么我们需要一个飞行器呢?“现在我们有一架波音747和空客!他说,“现在,由新一代超分子莱特兄弟的飞机的未来”。

当然有许多伟大的想法。和同时代的许多人一样,萨特想象分子机器很可能会发现一个角色在机器人或药物。“机器人正变得越来越重要,我认为有一天我们一定会有很多机器人在我们的日常生活中,和很小的机器人来实现一些功能,”他说。和微型机器人将需要nano-muscles或nano-gears。或者我们当然可以想象使用分子机器在纳米带和交付(药物)正确的位置。

Feringa,控制运动的潜力也在材料科学开辟了巨大的可能性:“当你可以诱导运动,使机械化的功能像旋转运动,平移运动,你可以移动智能材料。材料,适应,改变其形状,有各种各样的功能。(我想)我们将会看到这类智能材料出现在未来10年左右。”

斯托达特,现在领导着一个巨大的生产在美国西北大学研究小组,也是兴奋电子存储器。“2007年,我们做了一个160比特的记忆,”他说,指的是设备包括一组轮烷安装电极之间可以写内存之间的穿梭于他们的戒指。⁸但系统不够健壮——开关100次后会死,这是没有用的,”他说。所以我们现在试图山非常相似的交换机内部有机框架。”

奖品使伙伴关系

虽然分子机器研究站在成为一个应用学科的尖端,重要的是要认识到早期的一些巨大的影响,基本工作已经在科学。不可能列出所有的字段,使用这些工具来提高研究——建立分子机器或有趣的拓扑提供了无与伦比的洞察分子如何工作和行为。

“我认为有巨大的机会,如果我们从其他学科与我们的同事,“Feringa说。我们工作很多物理学家、医生,生物学家。有很大的社区,这在过去的几年中有了惊人的增长,因为人们意识到,有很多可能性。”

当然,很可能识别从斯德哥尔摩将吸引更多的兴奋已经蓬勃发展的领域。当诺贝尔奖,它能提高该领域在一个非常壮观的方式在大多数情况下,“萨特指出。这可能从吸引更多资金支持基础研究,鼓励多学科或国际伙伴关系通过吸引的关注更广泛的潜在的合作者。

这些人的工作,这是鼓舞人心的科学,“总结利。这是近年来激发了大量的工作,我确信这个奖要激励下一代的科学家接受挑战[未来]。”

尽管没有人知道这一动态的研究领域是最终走向,似乎可以肯定,分子的创造力将继续在未来几年将。