原文網址：http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2016.html ============================================================================== 2016年諾貝爾獎簡介 林宇軒，曹一允，蔡蘊明合譯 於2016年十月五日 本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿，原文可自以下官方網站取得： https://goo.gl/W6UBWU 若有興趣閱讀進階的資料，請由下列網址取得： https://goo.gl/SWHxm3 *譯者簡介： 林宇軒正於台大化學系攻讀碩士學位，在李弘文教授實驗室進行研究，目前於瑞典Umeå 大學做交換學生。 曹一允在美國德州農工大學攻讀博士，在Karen Wooley教授實驗室進行研究，除翻譯本文 外亦負責將其中圖片中文化。 蔡蘊明現為台大化學系名譽教授。 *感謝台大化學系的蔡明軒幫忙將此文放上化學系的網頁。 如何將分子變成機器 2016年的諾貝爾化學獎頒給了Jean-Pierre Sauvage (索瓦)，Sir J. Fraser Stoddart (史托達特爵士)，和Bernard L. Feringa (費倫加)，這是 因為他們開發出了比頭髮還要細上千倍的分子機器，這是關於他們如何將化 學分子連結在一起並設計出各種機器，包括微型電梯，馬達以及微型肌肉的 故事。 你到底能製造出多小的機器？這是得過諾貝爾獎的費曼(Richard Feynman)在 1984年的一個前瞻性的演講中一開始所提出的問題，費曼著名的事蹟就是他 在1950年代對奈米科技發展所做的預測。赤著腳，上身穿著一件粉紅色的 polo衫，下身是一條嗶嘰短褲，他轉過身來面對聽眾說道“現在讓我們來談 談那個製造具有可移動的零件的微小機器的可能性吧”。 他堅信製造奈米尺度大小的機器是可能的，其實這類機器在自然界本就存在 ，他用細菌的鞭毛為例，那是狀如木塞起子的螺旋狀巨大分子，當它們旋轉 時可讓細菌向前進行。但是人類 – 擁有一雙巨大的手掌 – 真有可能製造 出那種小到要用電子顯微鏡才能看到的機器嗎？ 一個對未來的憧憬 ─ 分子機器將在25-30年內出現 一種可能性就是先製造出一雙比你的手要小的機器手，用來做出一雙更小些 的手，繼續用之做出更小的手，如此持續做到產生一雙極度微小的手，用來 製造同樣微小的機器。費曼說“這曾被試過，但未成功”。 另一個費曼比較有信心的策略，那就是用由下而上的方法來製造這種機器。 他的想法在理論上的架構方式是將不同的物質，例如矽，先噴灑在一個表面 上，一層原子上面再噴上一層原子，接著將某些層中的部分原子溶解後移除 ，製造出一些可利用電流控制其移動的零件。費曼對未來的憧憬，是利用這 樣的架構方法來製造一個微型相機的快門。 這個演講的目的是在鼓舞在座的研究工作者，讓他們對所相信的可能性去測 試其極限。當費曼將講完而要闔上他的筆記時，他望向台下的聽眾，以有些 淘氣的語調說道“…祝你們重新設計各種所熟悉的機器時會有一段快樂的時 光，試試看你們是否能做到，給它25-30年，將會有一些實際的用途。到底可 以有何用處，我也不知道”。 但是費曼以及在座中的研究工作者們在當時所不知道的，其實踏向分子機器 的第一步已經跨出，只是以一個與費曼所預測的方法完全不同的方式來進行 的。 機械式互鎖的分子 二十世紀中期，為了創造出更前端、更複雜的分子結構，化學家試著合成出 一些鎖鏈狀分子，其結構是以環形的分子連鎖在一起。達成這項目標的人不 僅僅是做出了一種驚人的新型分子，更引入了一種新的鍵結方式。一般而言 ，分子之間可經由很強的共價鍵連結在一起，那是一種原子之間共享電子所 形成的鍵結。但一個夢想中新的機械式鍵結，則是利用“機械互鎖”的方式 達成，不牽扯到原子之間直接的作用。 許多實驗室在1950與1960年代紛紛發表了各式分子鎖鏈的合成，然而他們複 雜的合成方法僅能製造少量的產物，大大侷限了應用方面的可能性。比起應 用化學，這些研究的進展不如說是滿足了化學家們的好奇心而已。即便一直 到1980年代早期，長期的挫折使得分子鎖鏈的研究徒剩一片愁雲慘霧。重大 的突破發生在1983年，法國化學家索瓦所領導的研究，引入了一個很普通的 銅離子，成功掌握了這個型態的分子。 索瓦利用銅離子吸引分子 如同時常發生在科學研究中的情形，重要的提示往往是從不怎麼相關的領域 出現的。索瓦早期是在研究光化學，在此領域中，有化學家們利用一種分子 錯合物捕捉太陽能來驅動化學反應。當索瓦正在建構一個具有光化學活性之 錯合物的模型時，突然注意到這個模型和連鎖分子之間有著重要的連結：兩 個分子圍繞著中心的銅離子。 這個靈光一現的想法使得索瓦的研究方向有了戲劇性的轉變。他的研究小組 利用這個光化學的錯合物為模型，先合成出一個環形分子以及一個半月型的 分子，接著使用銅離子將二者吸引過去(圖一)，第二步是利用半月型的分子 和第三個分子產生化學反應形成第二個環，也就合成了那個鎖鏈分子的頭一 個連結。移除銅離子後，就成功產生了預期中的連鎖分子。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/01.png 探討化學反應時，產率(反應物轉變為產物的比例)是化學家注重的關鍵之一 。在索瓦導入這個合成方法前，化學家合成連鎖分子的產率僅僅只有很小的 比例，而經由銅離子吸引分子的方法，可以讓連鎖分子的產率提高到42%。突 然間，連鎖分子就不再只是滿足化學家的好奇心的玩具了。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/02.png 藉由這個突破性的合成方法，索瓦就這麼為拓樸化學(topological chemistry)注入了一泉活水。這個領域的化學家 ─ 常透過金屬離子 ─ 可 以製造出包含分子鎖鏈以及分子結在內的各種更趨複雜的連鎖分子。索瓦和 史托達特(詳見後文)也成為了這個領域的先驅者，他們的研究室做出了包含 三葉草形、波羅緬環(Borromean ring)以及所羅門環(Solomon’s knot)在內 各式各樣的連鎖分子(圖二)。 然而這樣的藝術性不是2016年的諾貝爾化學獎強調的，讓我們把目光轉回分 子機械吧。 …邁向分子機械的第一步 索瓦很快就注意到這種被稱為交環烷(catenane，由拉丁文的鏈catena衍伸而 來)的新型態分子，不僅僅是一個合成上的里程碑，更是通往分子機械的一大 步。一個可以完成多項工作的“機械”，必須至少由數個可以相對移動的小 零件組成，而兩個機械式互鎖形成的分子環便滿足了這個條件。1994年，索 瓦的研究小組成功製作出了可以經由外在施加能量，控制其中一個環轉動的 交環烷，這正是非生物型的分子機械開始綻放枝枒的第一步。 通往分子機械的下一步，則是由一位成長在沒有電力和現代化設備的蘇格蘭 農田的化學家所貢獻的。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/03.png 史托達特將分子輪軸穿過一個分子環 在孩提時期，史托達特並沒有電視或電腦。不過，為了讓自己有事情可忙， 他玩拼圖，因此訓練出了化學家所需要的一個技能：辨認形狀以及觀察它們 如何被連接在一起。他之所以被化學吸引，也因為期望有機會成為一位分子 藝術家 ─ 能夠塑造出從未有人見過的形狀。 2016年諾貝爾化學獎所表彰的這些分子創作中，史托達特發展的一個創新的 分子也利用了化學的潛力來設計互相吸引的分子。在1991年，他的研究團隊 建造了一個缺電子的開環分子以及一個具有兩個多電子位置的長棍，或可稱 為輪軸（圖三）。當兩個分子在溶液中相遇時，缺電子分子會被多電子分子 吸引過去，然後分子輪軸穿過開環分子。下一步，研究團隊將開環的開口兩 端相接，使其成為完整的環狀而能留在分子輪軸上。他們因此以高產率創造 出了輪烷(rotaxane），一種環狀並以機械的方式套接於輪軸上的分子。 史托達特於是利用環的自由度，使其沿著輪軸移動。當他加熱時，分子環就 像一個微小的區間車，在多電子的兩端間前後跳動（圖三）。到了1994年， 他能完全掌控分子環的移動，因而擺脫了化學系統中掌控分子移動的隨機性 。 一台電梯、一塊肌肉與一個極小的電腦晶片 自1994年以來，史托達特的研究團隊已經使用多種輪烷來建造許多的分子機 器，包括一台可將自己提高0.7 奈米的分子電梯（2004年，圖四）、一個能 夠折彎金箔片的人造分子肌肉（2005年）。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/04.png 與其他研究者合作的過程中，史托達特也發展出一個以輪烷為基礎、具有 20 kB 記憶體的電腦晶片。現在電腦中所使用的電晶體雖然非常微小，不過 和以分子為基礎的電晶體相比則是巨大無比。研究者相信分子電腦晶片可能 會像當年以矽為基礎的電晶體一樣，掀起電腦科技的大變革。 索瓦也在研究輪烷的潛力。在2000年時，他的研究團隊成功將兩個有環狀結 構的分子穿在一起，形成一個具有彈性的結構，類似人體的肌肉纖維（圖五 ）。他們也建造了像是馬達一般的分子，其中輪烷分子中的環可交替變換方 向的旋轉。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/05.png 費倫加建造了第一個分子馬達 就像史托達特，費倫加在農場長大，而且也被化學那無窮可能的創造力所吸 引。如同他曾在一次訪問中所表達的：“也許化學的力量不只在理解，也包 括創造過去不存在的分子與材料…” 在1999年，當費倫加製作出第一個分子馬達時，他用了一些聰明的技巧使它 只往同一個方向旋轉。一般而言，分子的運動是隨機的；平均來說，一個旋 轉的分子往右轉和往左轉的次數相當。但是費倫加設計了一個在機械上受到 限制的分子，使得它只能往特定的方向轉動（圖六）。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/06.png 該分子是由類似兩個小的轉子葉片（rotor blade）構成，並由兩個具有平面 結構上的碳以雙鍵連結在一起。每個轉子葉片上都連接上一個甲基，轉子葉 片的這個甲基以及葉片部分以類似棘輪（ratchet）的方式，強迫分子只能往 同一個方向轉動。當分子受一道紫外光脈衝的照射，其中一個轉子葉片會以 雙鍵為中心跳轉180度，接著棘輪移動到位。隨著下一道紫外光脈衝，轉子葉 片會再轉180度，這個步驟接著持續下去，葉片便一圈又一圈的往同一個方向 轉動。 最初的馬達並不快，但是費倫加的研究團隊優化了它。2014年，馬達已經可 以達到每秒一千兩百萬轉。2011年，研究團隊也建造了一個四輪驅動的奈米 車，分子底盤將四個具有輪子功能的馬達接在一起，當輪子轉動時，車子便 能在一個表面上往前移動（圖七）。 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/doc/2016/07.png 分子馬達讓一個小玻璃圓柱轉動 在另一個令人驚嘆的實驗中，費倫加的實驗小組用了分子馬達去轉動一個長 28微米(10 6 m)的玻璃圓柱(比分子馬達要大10,000倍)。在此實驗中，他們 將這些馬達置入一個液晶(一種液體但具有晶體的整齊結構)中，只有百分之 一的液晶中含有分子馬達，但是當研究者讓馬達開始轉動時，液晶的結構被 馬達改變。當他們將玻璃圓柱放在液晶上時，它隨著馬達所提供的動作而轉 動。（這個過程的影片可以在此處下載： www.nature.com/nature/journal/v440/n7081/suppinfo/440163a.html） 一個用來製造的分子的工具箱 這些由索瓦，史托達特，費倫加在發展分子機器時所做的突破性方法，產生 了一個含有各種化學結構的工具箱，可讓全世界各地的研究者用以建造出愈 發先進的創作品。其中最精采的例子是做出一種分子機器人，能將胺基酸分 子抓住然後將它們連接起來，那是在2013年運用輪烷所建造的。 另有研究者將分子馬達接在聚合物的長鏈上，形成一個錯綜複雜的網狀結構 ，當那些分子馬達受到光的照射時，它們將聚合物捲成一些紊亂的束狀物， 光的能量因此而儲存在分子中，假若這些研究者能找出方法回收這些能量， 就可發展出一種新的太陽能電池。這種材料也會因為馬達造成的纏繞而收縮 ，可以用來發展對光有反應的感應器。 遠離平衡 ─ 朝一個新而有活力的化學邁進 一個2016年諾貝爾化學獎所表彰的重要發展，就是將分子系統帶離“平衡” 。所有的化學反應都會趨向平衡 ─ 也就是一個較低能量的狀態 ─ 但這個 過程也可以看成是一種僵局。這麼說或許有點難以理解，讓我們用生命這個 簡單的例子解釋一下吧：當我們進食的時候，身體從食物中取得能量，並將 體內的分子系統推離平衡狀態，進入具有較高能量的狀態，接著生物分子用 這些能量驅動生命所需的化學反應。然而一旦我們體內的化學反應真正達到 平衡時，我們卻將會死去。 正如生命中的化學分子，索瓦、史托達特以及費倫加所建構的人造分子系統 也是在執行一個有控制的任務。化學因此朝著新的方向踏出了第一步，雖然 在此初期階段我們還看不出來把機械縮小會帶來什麼樣的好處，但時間的潮 流已經證明了同樣的想法可以為電腦科技帶來革命性的突破。從機械發展的 觀點看來，現在的分子機械差不多正值1830年代電動馬達的處境 – 那時候 的科學家仍然不曉得能夠轉來轉去的軸和輪胎，竟會是現代火車、洗衣機、 電風扇，甚至是食物調理機的基石。 自費曼那前瞻性的演講到現在，已經過了32年，我們仍然只能猜測未來令人 興奮的發展。然而我們已經有辦法回答費曼當初的問題：“你到底能製造出 多小的機器？”至少比一根頭髮小了一千倍！ 延伸閱讀資料： http://www.ch.ntu.edu.tw/office/chmedeng.html --

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