<p>由宏觀電機驅(qū)動的電動汽車在我們的街道和高速公路上越來越普遍。近200年前，當(dāng)物理學(xué)家邁出了第一步，將電動馬達帶到了這個世界上時，這些安靜而環(huán)保的機器就開始了。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，美國西北大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個多學(xué)科團隊制造出了一種肉眼無法看到的電動機:分子尺度上的電動機。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項早期的工作&mdash;&mdash;一種在分子水平上將電能轉(zhuǎn)化為單向運動的馬達&mdash;&mdash;對材料科學(xué)，特別是醫(yī)學(xué)具有深遠的意義，在醫(yī)學(xué)中，電動分子馬達可以與人體內(nèi)的生物分子馬達合作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>西北大學(xué)的弗雷澤&middot;斯托達特爵士(Sir Fraser Stoddart)說:&ldquo;我們把分子納米技術(shù)提升到了另一個高度。&rdquo;斯托達特爵士因在分子機器的設(shè)計和合成方面的工作獲得了2016年諾貝爾化學(xué)獎。&ldquo;這種優(yōu)雅的化學(xué)反應(yīng)使用電子有效地驅(qū)動分子電機，就像宏觀電機一樣。雖然這一化學(xué)領(lǐng)域還處于起步階段，但我預(yù)測有一天這些微型馬達將在醫(yī)學(xué)上產(chǎn)生巨大的變化。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>我們把分子納米技術(shù)提升到了另一個水平。&rdquo;</p> <p><br />弗雷澤&middot;斯托達特爵士，化學(xué)家</p> <p><br />斯托達特是溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)董事會教授，是這項研究的共同通訊作者。這項研究是與分子機器理論家、緬因大學(xué)教授迪恩&middot;阿斯圖米安(Dean Astumian)和計算化學(xué)家、加州理工學(xué)院教授威廉&middot;戈達德(William Goddard)密切合作完成的。張龍，斯托達特實驗室的博士后研究員，是這篇論文的第一作者和共同通訊作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>只有2納米寬的分子馬達是第一個大量生產(chǎn)的。該電機易于制造，運行迅速，不產(chǎn)生任何廢物。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究和相應(yīng)的新聞?wù)裉?1月11日)發(fā)表在《自然》雜志上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究小組專注于一種具有連鎖環(huán)的分子，這種分子被稱為catenanes，由強大的機械鍵連接在一起，因此這些成分可以相對自由地移動而不會分崩離析。幾十年前，斯托達特在創(chuàng)造機械鍵方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是一種新型的化學(xué)鍵，導(dǎo)致了分子機器的發(fā)展。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種電動分子馬達是基于鏈狀烷的，鏈狀烷的組成部分(由兩個相同的環(huán)環(huán)鎖在一起)具有氧化還原活性，也就是說，它們隨著電壓勢的變化而進行單向運動。研究人員發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)這種單向運動需要兩個環(huán)。實驗表明，鏈輪烷(一個環(huán)與一個環(huán)互鎖)不能作為馬達運行。</p> <p>&nbsp;</p> <p>具有馬達功能的分子的合成和運作&mdash;&mdash;將外部能量轉(zhuǎn)化為定向運動&mdash;&mdash;一段時間以來一直挑戰(zhàn)著化學(xué)、物理學(xué)和分子納米技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了實現(xiàn)這一突破，Stoddart、Zhang和他們西北大學(xué)的團隊花了四年多的時間來設(shè)計和合成他們的電動分子馬達。這包括與UMaine的Astumian和加州理工學(xué)院的Goddard合作一年，完成量子力學(xué)計算，以解釋電機背后的工作機制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;在分子尺度上控制元件的相對運動是一項艱巨的挑戰(zhàn)，所以合作是至關(guān)重要的。&rdquo;張說。&ldquo;與合成、測量、計算化學(xué)和理論方面的專家合作，使我們能夠開發(fā)出一種在溶液中工作的電動分子馬達。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>已經(jīng)報道了一些單分子電動機的例子，但它們需要苛刻的操作條件，比如使用超高真空，而且還會產(chǎn)生廢物。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員說，他們的電動分子馬達的下一步是將許多馬達連接到一個電極表面，以影響表面，最終做一些有用的工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯托達特說:&ldquo;我們今天報告的成就證明了我們年輕科學(xué)家的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力，以及他們承擔(dān)風(fēng)險的意愿。&rdquo;&ldquo;這項工作給了我和團隊極大的滿足感。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Stoddart是國際納米技術(shù)研究所和西北大學(xué)Robert H. Lurie綜合癌癥中心的成員。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>