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分子機器
分子機器，指由分子尺度的物質(zhì)構成、能行使某種加工功能的機器，其構件主要是蛋白質(zhì)等生物分子。因其尺寸多為納米級，又稱(chēng)生物納米機器，具有小尺寸、多樣性、自指導、有機組成、自組裝、準確高效、分子柔性、自適應、僅依靠化學(xué)能或熱能驅動(dòng)、分子調劑等其他人造機器難以比擬的性能，因此研究生物納米機器具有重大意義。它可以促進(jìn)生物學(xué)發(fā)現，深入認識蛋白質(zhì)分子機器機制，開(kāi)發(fā)生物分子機器和促進(jìn)仿生學(xué)發(fā)展。2016年10月5日讓-彼埃爾·索瓦、J.弗雷澤·斯托達特、伯納德·L·費林加因“設計和合成分子機器”獲得2016諾貝爾化學(xué)獎。
基本信息
| 中文名 | 分子機器 |
| 外文名 | Molecular machines |
| 類(lèi)別 | 設備 |
| 影響 | |
| 相關(guān)獎項 | 2016 諾貝爾化學(xué)獎 |
簡(jiǎn)介
分子機器
就像人的生命一樣，人體內的分子可以從食物中獲取能量，進(jìn)而推動(dòng)人體的分子系統遠離平衡態(tài)，向更高水平的能量狀態(tài)發(fā)展，這樣人體才有可能利用這些能量推動(dòng)肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學(xué)平衡態(tài)，人就會(huì )死亡。
動(dòng)力來(lái)源
研究歷史
分子機器
到了1991年，斯托達特實(shí)現了分子機器誕生的第二步，他成功合成了“輪烷”。輪烷是一個(gè)或多個(gè)環(huán)狀分子和一個(gè)或多個(gè)啞鈴狀的線(xiàn)形分子為軸組成的分子集合。啞鈴狀的線(xiàn)形分子作軸穿過(guò)環(huán)狀分子的空腔，兩端結合有體積較大分子以防止線(xiàn)形分子滑出，從而形成了穩定的輪烷結構。
基于上述研究成果，斯托達特的研究團隊先后成功實(shí)現環(huán)狀分子在線(xiàn)形分子表面上升0.7納米的“分子電梯”，用輪烷構成的“分子肌肉”成功彎折了一塊很薄的金箔，還開(kāi)發(fā)出一種基于輪烷的計算機芯片，被認為在將來(lái)有望顛覆傳統的計算機芯片技術(shù)。
費林加則是研發(fā)出分子馬達（分子發(fā)動(dòng)機）的第一人。1999年，他研制了一個(gè)分子轉子葉片，葉片能夠朝著(zhù)同一方向持續旋轉。這個(gè)馬達可以讓一個(gè)28微米長(cháng)、比馬達本身大1萬(wàn)倍的玻璃缸旋轉起來(lái)。2011年，費林加的研究小組在分子馬達的基礎上制造了一款四驅納米汽車(chē)，一個(gè)分子底盤(pán)將4個(gè)分子馬達連接在一起作為輪子，當分子馬達旋轉時(shí)，納米汽車(chē)就能向前行駛。
至此，分子機器動(dòng)起來(lái)了。
應用領(lǐng)域
分子機器
隨著(zhù)生物技術(shù)水準的迅速進(jìn)步，這樣的生物技術(shù)藥物可能會(huì )很快地代替現有藥物，為人類(lèi)創(chuàng )造更好的福祉，可是這些構建出來(lái)的融合蛋白還遠遠未能表達出人們所企求的結構和功能水準——人工多結構域“蛋白質(zhì)機器”所應該具有的理想境界，充其量它們只能算作是蛋白質(zhì)分子機器的一個(gè)雛形?，F在，正有科學(xué)家試圖把如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來(lái)，制造一種極其微小的裝置，科學(xué)家意圖使用這種裝置來(lái)操控別的分子，運用于醫學(xué)可以用來(lái)清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景。
不少?lài)壹娂?a class="dict" href="/azsoft/m2751741.html">制定相關(guān)戰略或者計劃，投入巨資搶占分子機器人這種新科技的戰略高地?！稒C器人時(shí)代》月刊日前指出：分子機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用于醫療和軍事領(lǐng)域。
諾貝爾獎評選委員會(huì )表示，就像19世紀30年代，當電動(dòng)馬達被發(fā)明出來(lái)時(shí)，科學(xué)家未曾想過(guò)它會(huì )在電氣火車(chē)、洗衣機、電風(fēng)扇上被廣泛運用，給人類(lèi)生活帶來(lái)翻天覆地的變化。正如當年的電動(dòng)馬達一樣，分子機器未來(lái)很有可能將用于開(kāi)發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲系統等，為人類(lèi)的未來(lái)提供了無(wú)限可能。
榮獲諾貝爾獎
1983年，讓-皮埃爾·紹瓦熱邁出了通往分子機器的第一步，他將兩個(gè)環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴。隨后的1991年，斯托達特成功制備了輪烷，其中一個(gè)分子為鏈，一個(gè)分子為環(huán)，環(huán)分子可以繞鏈轉動(dòng)。在此基礎上，科學(xué)家成功研制了分子起重機、分子肌肉和分子芯片。費林加則是發(fā)展分子發(fā)動(dòng)機的第一人。1999年，他制備了一種能夠持續朝一個(gè)方向轉動(dòng)的分子發(fā)動(dòng)機，用它轉動(dòng)了比它大一萬(wàn)倍的玻璃杯，并且設計了一個(gè)微型車(chē)。
2016諾貝爾獎獲獎?wù)邘Щ瘜W(xué)走出了僵局，并用給予能量的方式控制了分子的運動(dòng)。從發(fā)展的眼光看，分子機器之于我們正如電動(dòng)機之于19世紀的科學(xué)界先輩，那時(shí)他們并不知道這些線(xiàn)圈和磁石會(huì )化為電車(chē)、洗衣機、電風(fēng)扇等等走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。分子機器很有可能會(huì )在未來(lái)的新材料、傳感器、儲能系統等領(lǐng)域大顯身手。
參考資料
[1]
新科諾貝爾化學(xué)獎成果揭示世界最小機器誕生歷程 · 央視網(wǎng)[引用日期2016-10-06]
[2]
分子機器人：定點(diǎn)清除病毒、癌細胞 · 生命經(jīng)緯新聞中心[引用日期2016-10-06]
[3]
深度解讀2016諾貝爾化學(xué)獎：分子馬達與納米火箭[引用日期2016-10-05]
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