未来会出现纳米机器人吗?诺奖化学家费林加:想知道,就去造。

 新闻中心     |      2024年05月13日

·费林加团队在分子机器领域不断探索,迄今已经设计出多种分子元件,能在控制之下做出开关、旋转、定向移动等动作。其应用前景包括能自我清洁和修复的材料,能在人体内实现精准投放的智能药物,甚至是能执行各种任务的纳米机器人。

未来会出现纳米机器人吗?诺奖化学家费林加:想知道,就去造。


·“对我来说,预测未来的最好方法就是创造未来。今天我展示了分子马达和分子车,它们能做各种各样的动作,这是我能做的——这就是未来。”

在宏观世界,人类已经有能力制造上天入地的精巧机器。现在,人们正在努力推进“人类制造”的疆界,在仅有头发丝十万分之一粗细的微观领域制造分子机器,比如分子开关、马达、小车、泵和杠杆。虽然这些分子机器和元件目前尚显“简陋”,但它们未来在医疗、材料、信息等领域的应用潜力不可估量。

2024年5月10日上午,荷兰化学家、2016年诺贝尔化学奖得主伯纳德·卢卡斯·费林加(Bernard Lucas Feringa)来到复旦大学“浦江科学大师讲坛”,以“造‘小’的艺术:从分子开关到分子马达”为题发表演讲并接受采访,分享了他在分子纳米科学方面的研究成果,以及对学术和教育的见解。

费林加1951年在荷兰出生,于1978年获得荷兰格罗宁根大学有机化学博士学位。1999年,他成功制备出一种能朝一个方向前进的分子马达,并设计了一种分子车。2016年,因其“发明行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”,他与该领域另外两名科学家一同获得诺贝尔化学奖。

费林加和他的团队在分子机器领域不断探索,迄今已经设计出多种的分子元件,能够在控制之下做出开关、旋转、定向移动等动作。“一旦在分子层面控制了运动,就为控制其他各种形式的运动提供可能。这为未来新材料的研发开启广阔的前景。”他在演讲中提到。

这些前景包括能够自我清洁和修复的材料,能够在人体内实现精准投放的智能药物,甚至是能够执行各种任务的纳米机器人。

“现在的分子马达就像19世纪30年代的电机。那时候的研究者仅仅在实验室里展示各种各样的旋转曲柄和动轮,并不知道这些东西将导致洗衣机、电风扇的诞生。”费林加说。

他鼓励青年继续探索,一方面要保持好奇、勤奋研究,而另一方面应当具备理想,将事关人类生存与福祉的问题作为目标,如环境问题、资源利用、更高效的交通等。他认为,面对这些问题,“分子纳米科学是一种途径,其他科学也有自己的途径,但最重要的是通过合作将人类的努力和才能结合起来。”

开关、旋转和平移:在纳米世界造光能车

虽然费林加的分子小车看上去结构简单,但其诞生的背后是一代科学家长达二十年的探索。

1959年底,著名物理学家费曼(Richard Feynman)在一次会议报告中大胆设想在微米和纳米尺度上直接操纵原子的思想实验,包括想象观测、排列原子的方法,甚至制造纳米电脑。在他看来,在微观世界中,材料将会展现神奇的性能,信息存储能力也将极大增强。

费林加在他的演讲中引用这篇纳米技术开山之作的标题,“于微纳处天地宽”(“There is Plenty Room at the Bottom”)。他认为自此之后,出现了一种自下而上设计机器的新思路。通过设计更小的元件(如芯片)并将它们组合在一起,以形成更强大的功能。

直到上世纪80年代,随着扫描隧道显微镜等观测技术以及分子化学合成技术的发展,科学家才开始有能力直接观测和操纵单个原子,实现更为复杂的人工分子构建,让分子机器的构想成为可能。

2016年与费林加一同获得诺贝尔奖的让-皮埃尔·绍瓦热(Jean-Pierre Sauvage)与 J·弗雷泽·斯托达特(J. Fraser Stoddart)都是分子机器领域的先驱。1983年,绍瓦热将两个环状分子连成链状,并将其命名为索烃。1991年,斯托达特成功制备了轮烷,其中一个分子为链,一个分子为环,环分子可以绕链转动。

在这些成果的基础上,科学家们开始纷纷构建各种各样的分子机器元件,希望逐步实现复杂的功能。在费林加看来,微观领域的机器构建既从自然界中获得灵感,又是对其原理进行抽象和重建的创造性过程。“我们仿照飞鸟制造飞机,但是我们到今天也无法制造一只鸽子,”他说,“况且鸽子也无法(像飞机一样)载着400个人,以每小时1000公里的速度穿越海洋。”

费林加研制的“分子开关”,就是以生物眼睛上的感光物质为灵感而制造出来的。“最棒的开关就在你的眼睛里,它们根据光线切换状态,使人们能够看见东西,”费林加说,“而且这种切换是可逆的,这样才能保证人们能一直看到东西。”

据此,费林加研制出一种感光分子开关,其中具有对于光线敏感的化学键,在受到光照时改变形态,没有光照时恢复,从而使得整个开关能够在两种状态中切换。

费林加介绍,这种分子开关可以有多种用途,比如存储和处理信息——开关的两种状态就如同计算机代码中的0和1,可以在此基础上形成更为复杂的逻辑元件。此外,它还可以用于智能药物的制作,“当我们需要药物在特定位置和时间释放时,我们就用光线去照射它。”

与分子开关相比,分子马达需要能够持续地旋转,并最好能够控制旋转的方向。在设计分子马达上,费林加的思路则来自于生物内部微观运动的基本规律——打破平衡。

“中国人常讲要与自己和生活和谐相处,达到‘平衡’(harmony)的状态。然而在生物领域,如果处于均衡(equilibrium)状态,那你可能就活不成了。”费林加讲解道,“各种生物分子的不对称运动让你的身体保持机能,这是旋转马达最漂亮的模型。”

大部分生物分子构象都是不对称的,如右旋的DNA和蛋白质,也被称为“手性”分子。费林加和他的团队精心挑选和构建多种手性分子,使它们能够在光线的照射下旋转运动。

最初,费林加研制的分子马达一小时只能转一圈。随着多年的探索,他和团队实现了多种形态的、速率和方向在一定程度上可控的旋转分子马达,“最新的马达一秒钟可以旋转1000万圈,这是个惊人的进步。”

费林加认为,分子马达的用途前景十分广泛,比如能够自我修复和清洁的材料。通过无数个迷你马达的运动,材料表面的伤痕就能够自动“愈合”,污垢也能够被排出。除此之外,分子马达还能用来制造人工肌肉,能够通过外部控制舒张和收缩。

在分子马达的基础上,费林加制造出四轮驱动的光能纳米车。在这辆仅有2纳米大小的车上,分子马达旋转的力被转化成平移的力,使得小车能够朝特定方向直线移动。

未来等待年轻人创造

有了分子开关、分子马达、分子车,是不是意味着以后就能像科幻片里一样造出分子机器人,或是造出钢铁侠那样的智能纳米铠甲?对此,费林加说,分子纳米科学是一项基础学科,目前还没有非常成熟的应用。在微观领域,还有很多规律需要科学家解释和探索。

“我不是个工程师,我是分子科学家。虽然我们制造纳米车,但我们还必须解释这种车是如何移动的,光线是如何驱动它的。这就需要理论上的探索。”费林加告诉澎湃科技,“我们做了很多计算,解释为什么有的马达转得快,有的转得慢,有的需要蓝光驱动,有的需要红光。”

从科学基础研究到具体应用往往是一个漫长的过程。“比如智能手机,它背后的基本科学发现在70年前已经大致完成,但它花了50年才发展起来。”费林加举例道,“这将需要很长时间,也需要很多学科的共同努力与合作。”

费林加认为,只有做好基础研究,才能一步步朝某种未来前进,而非本末倒置。“50年后,或许我们的医生能够往病人身体里注入分子机器人,它们会自动治愈疾病。但我是个科学家,我不太擅长预测未来。”他说,“对我来说,预测未来的最好方法就是创造未来。今天我展示了分子马达和分子车,它们能做各种各样的动作,这是我能做的——这就是未来。”

费林加提到,创造未来的是年轻人,“我看到很多具有才能的年轻人,他们将发现我们的未来,并使之成为可能。”

“对于年轻人我想说,发现你的天赋,追寻你的梦想,充满自信。”他说,“发现你的能量是什么,你的激情是什么?好好想想自己的舒适圈在哪里,你能把标准定得多高?有时候做一些有一点难度的事是很好的,你会感觉很好。”