·費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)在分子機(jī)器領(lǐng)域不斷探索，迄今已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種分子元件，能在控制之下做出開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)、定向移動(dòng)等動(dòng)作。其應(yīng)用前景包括能自我清潔和修復(fù)的材料，能在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投放的智能藥物，甚至是能執(zhí)行各種任務(wù)的納米機(jī)器人。

·“對(duì)我來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)未來(lái)的最好方法就是創(chuàng)造未來(lái)。今天我展示了分子馬達(dá)和分子車(chē)，它們能做各種各樣的動(dòng)作，這是我能做的——這就是未來(lái)。”

在宏觀世界，人類(lèi)已經(jīng)有能力制造上天入地的精巧機(jī)器。現(xiàn)在，人們正在努力推進(jìn)“人類(lèi)制造”的疆界，在僅有頭發(fā)絲十萬(wàn)分之一粗細(xì)的微觀領(lǐng)域制造分子機(jī)器，比如分子開(kāi)關(guān)、馬達(dá)、小車(chē)、泵和杠桿。雖然這些分子機(jī)器和元件目前尚顯“簡(jiǎn)陋”，但它們未來(lái)在醫(yī)療、材料、信息等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力不可估量。

2024年5月10日上午，荷蘭化學(xué)家、2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主伯納德·盧卡斯·費(fèi)林加（Bernard Lucas Feringa）來(lái)到復(fù)旦大學(xué)“浦江科學(xué)大師講壇”，以“造‘小’的藝術(shù)：從分子開(kāi)關(guān)到分子馬達(dá)”為題發(fā)表演講并接受采訪，分享了他在分子納米科學(xué)方面的研究成果，以及對(duì)學(xué)術(shù)和教育的見(jiàn)解。

費(fèi)林加在演講。主辦方供圖

費(fèi)林加1951年在荷蘭出生，于1978年獲得荷蘭格羅寧根大學(xué)有機(jī)化學(xué)博士學(xué)位。1999年，他成功制備出一種能朝一個(gè)方向前進(jìn)的分子馬達(dá)，并設(shè)計(jì)了一種分子車(chē)。2016年，因其“發(fā)明行動(dòng)可控、在給予能源后可執(zhí)行任務(wù)的分子機(jī)器”，他與該領(lǐng)域另外兩名科學(xué)家一同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

費(fèi)林加和他的團(tuán)隊(duì)在分子機(jī)器領(lǐng)域不斷探索，迄今已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種的分子元件，能夠在控制之下做出開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)、定向移動(dòng)等動(dòng)作。“一旦在分子層面控制了運(yùn)動(dòng)，就為控制其他各種形式的運(yùn)動(dòng)提供可能。這為未來(lái)新材料的研發(fā)開(kāi)啟廣闊的前景。”他在演講中提到。

這些前景包括能夠自我清潔和修復(fù)的材料，能夠在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投放的智能藥物，甚至是能夠執(zhí)行各種任務(wù)的納米機(jī)器人。

“現(xiàn)在的分子馬達(dá)就像19世紀(jì)30年代的電機(jī)。那時(shí)候的研究者僅僅在實(shí)驗(yàn)室里展示各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和動(dòng)輪，并不知道這些東西將導(dǎo)致洗衣機(jī)、電風(fēng)扇的誕生。”費(fèi)林加說(shuō)。

他鼓勵(lì)青年繼續(xù)探索，一方面要保持好奇、勤奮研究，而另一方面應(yīng)當(dāng)具備理想，將事關(guān)人類(lèi)生存與福祉的問(wèn)題作為目標(biāo)，如環(huán)境問(wèn)題、資源利用、更高效的交通等。他認(rèn)為，面對(duì)這些問(wèn)題，“分子納米科學(xué)是一種途徑，其他科學(xué)也有自己的途徑，但最重要的是通過(guò)合作將人類(lèi)的努力和才能結(jié)合起來(lái)。”

開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)和平移：在納米世界造光能車(chē)

雖然費(fèi)林加的分子小車(chē)看上去結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其誕生的背后是一代科學(xué)家長(zhǎng)達(dá)二十年的探索。

1959年底，著名物理學(xué)家費(fèi)曼（Richard Feynman）在一次會(huì)議報(bào)告中大膽設(shè)想在微米和納米尺度上直接操縱原子的思想實(shí)驗(yàn)，包括想象觀測(cè)、排列原子的方法，甚至制造納米電腦。在他看來(lái)，在微觀世界中，材料將會(huì)展現(xiàn)神奇的性能，信息存儲(chǔ)能力也將極大增強(qiáng)。

費(fèi)林加在他的演講中引用這篇納米技術(shù)開(kāi)山之作的標(biāo)題，“于微納處天地寬”（“There is Plenty Room at the Bottom”）。他認(rèn)為自此之后，出現(xiàn)了一種自下而上設(shè)計(jì)機(jī)器的新思路。通過(guò)設(shè)計(jì)更小的元件（如芯片）并將它們組合在一起，以形成更強(qiáng)大的功能。

直到上世紀(jì)80年代，隨著掃描隧道顯微鏡等觀測(cè)技術(shù)以及分子化學(xué)合成技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家才開(kāi)始有能力直接觀測(cè)和操縱單個(gè)原子，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的人工分子構(gòu)建，讓分子機(jī)器的構(gòu)想成為可能。

2016年與費(fèi)林加一同獲得諾貝爾獎(jiǎng)的讓-皮埃爾·紹瓦熱（Jean-Pierre Sauvage）與 J·弗雷澤·斯托達(dá)特（J. Fraser Stoddart）都是分子機(jī)器領(lǐng)域的先驅(qū)。1983年，紹瓦熱將兩個(gè)環(huán)狀分子連成鏈狀，并將其命名為索烴。1991年，斯托達(dá)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(zhuǎn)動(dòng)。

在這些成果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們開(kāi)始紛紛構(gòu)建各種各樣的分子機(jī)器元件，希望逐步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。在費(fèi)林加看來(lái)，微觀領(lǐng)域的機(jī)器構(gòu)建既從自然界中獲得靈感，又是對(duì)其原理進(jìn)行抽象和重建的創(chuàng)造性過(guò)程。“我們仿照飛鳥(niǎo)制造飛機(jī)，但是我們到今天也無(wú)法制造一只鴿子，”他說(shuō)，“況且鴿子也無(wú)法（像飛機(jī)一樣）載著400個(gè)人，以每小時(shí)1000公里的速度穿越海洋。”

費(fèi)林加研制的“分子開(kāi)關(guān)”，就是以生物眼睛上的感光物質(zhì)為靈感而制造出來(lái)的。“最棒的開(kāi)關(guān)就在你的眼睛里，它們根據(jù)光線切換狀態(tài)，使人們能夠看見(jiàn)東西，”費(fèi)林加說(shuō)，“而且這種切換是可逆的，這樣才能保證人們能一直看到東西。”

光感分子開(kāi)關(guān)有多種用途，比如培養(yǎng)光感細(xì)菌。主辦方供圖

據(jù)此，費(fèi)林加研制出一種感光分子開(kāi)關(guān)，其中具有對(duì)于光線敏感的化學(xué)鍵，在受到光照時(shí)改變形態(tài)，沒(méi)有光照時(shí)恢復(fù)，從而使得整個(gè)開(kāi)關(guān)能夠在兩種狀態(tài)中切換。

費(fèi)林加介紹，這種分子開(kāi)關(guān)可以有多種用途，比如存儲(chǔ)和處理信息——開(kāi)關(guān)的兩種狀態(tài)就如同計(jì)算機(jī)代碼中的0和1，可以在此基礎(chǔ)上形成更為復(fù)雜的邏輯元件。此外，它還可以用于智能藥物的制作，“當(dāng)我們需要藥物在特定位置和時(shí)間釋放時(shí)，我們就用光線去照射它。”

與分子開(kāi)關(guān)相比，分子馬達(dá)需要能夠持續(xù)地旋轉(zhuǎn)，并最好能夠控制旋轉(zhuǎn)的方向。在設(shè)計(jì)分子馬達(dá)上，費(fèi)林加的思路則來(lái)自于生物內(nèi)部微觀運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律——打破平衡。

“中國(guó)人常講要與自己和生活和諧相處，達(dá)到‘平衡’（harmony）的狀態(tài)。然而在生物領(lǐng)域，如果處于均衡（equilibrium）狀態(tài)，那你可能就活不成了。”費(fèi)林加講解道，“各種生物分子的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)讓你的身體保持機(jī)能，這是旋轉(zhuǎn)馬達(dá)最漂亮的模型。”

大部分生物分子構(gòu)象都是不對(duì)稱的，如右旋的DNA和蛋白質(zhì)，也被稱為“手性”分子。費(fèi)林加和他的團(tuán)隊(duì)精心挑選和構(gòu)建多種手性分子，使它們能夠在光線的照射下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)研制的一種分子馬達(dá)。主辦方供圖

最初，費(fèi)林加研制的分子馬達(dá)一小時(shí)只能轉(zhuǎn)一圈。隨著多年的探索，他和團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了多種形態(tài)的、速率和方向在一定程度上可控的旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)，“最新的馬達(dá)一秒鐘可以旋轉(zhuǎn)1000萬(wàn)圈，這是個(gè)驚人的進(jìn)步。”

費(fèi)林加認(rèn)為，分子馬達(dá)的用途前景十分廣泛，比如能夠自我修復(fù)和清潔的材料。通過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)迷你馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，材料表面的傷痕就能夠自動(dòng)“愈合”，污垢也能夠被排出。除此之外，分子馬達(dá)還能用來(lái)制造人工肌肉，能夠通過(guò)外部控制舒張和收縮。

在分子馬達(dá)的基礎(chǔ)上，費(fèi)林加制造出四輪驅(qū)動(dòng)的光能納米車(chē)。在這輛僅有2納米大小的車(chē)上，分子馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的力被轉(zhuǎn)化成平移的力，使得小車(chē)能夠朝特定方向直線移動(dòng)。

四驅(qū)光能納米車(chē)。主辦方供圖

未來(lái)等待年輕人創(chuàng)造

有了分子開(kāi)關(guān)、分子馬達(dá)、分子車(chē)，是不是意味著以后就能像科幻片里一樣造出分子機(jī)器人，或是造出鋼鐵俠那樣的智能納米鎧甲？對(duì)此，費(fèi)林加說(shuō)，分子納米科學(xué)是一項(xiàng)基礎(chǔ)學(xué)科，目前還沒(méi)有非常成熟的應(yīng)用。在微觀領(lǐng)域，還有很多規(guī)律需要科學(xué)家解釋和探索。

“我不是個(gè)工程師，我是分子科學(xué)家。雖然我們制造納米車(chē)，但我們還必須解釋這種車(chē)是如何移動(dòng)的，光線是如何驅(qū)動(dòng)它的。這就需要理論上的探索。”費(fèi)林加告訴澎湃科技，“我們做了很多計(jì)算，解釋為什么有的馬達(dá)轉(zhuǎn)得快，有的轉(zhuǎn)得慢，有的需要藍(lán)光驅(qū)動(dòng)，有的需要紅光。”

從科學(xué)基礎(chǔ)研究到具體應(yīng)用往往是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。“比如智能手機(jī)，它背后的基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)在70年前已經(jīng)大致完成，但它花了50年才發(fā)展起來(lái)。”費(fèi)林加舉例道，“這將需要很長(zhǎng)時(shí)間，也需要很多學(xué)科的共同努力與合作。”

費(fèi)林加認(rèn)為，只有做好基礎(chǔ)研究，才能一步步朝某種未來(lái)前進(jìn)，而非本末倒置。“50年后，或許我們的醫(yī)生能夠往病人身體里注入分子機(jī)器人，它們會(huì)自動(dòng)治愈疾病。但我是個(gè)科學(xué)家，我不太擅長(zhǎng)預(yù)測(cè)未來(lái)。”他說(shuō)，“對(duì)我來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)未來(lái)的最好方法就是創(chuàng)造未來(lái)。今天我展示了分子馬達(dá)和分子車(chē)，它們能做各種各樣的動(dòng)作，這是我能做的——這就是未來(lái)。”

費(fèi)林加提到，創(chuàng)造未來(lái)的是年輕人，“我看到很多具有才能的年輕人，他們將發(fā)現(xiàn)我們的未來(lái)，并使之成為可能。”

“對(duì)于年輕人我想說(shuō)，發(fā)現(xiàn)你的天賦，追尋你的夢(mèng)想，充滿自信。”他說(shuō)，“發(fā)現(xiàn)你的能量是什么，你的激情是什么？好好想想自己的舒適圈在哪里，你能把標(biāo)準(zhǔn)定得多高？有時(shí)候做一些有一點(diǎn)難度的事是很好的，你會(huì)感覺(jué)很好。”