發明「世界最小的机器」3學者瓜分諾貝爾化學獎

2016年諾貝爾化學獎揭曉,由3名法、美、荷學者分享,分別是現年72歲的索法吉(Jean-Pierre Sauvage)、他是法國史特拉斯堡大學(Université de Strasbourg)博士,目前是該校榮譽教授與法國國家科學研究中心(CNRS)榮譽研究主任;現年74歲的斯托達特爵士(Sir J. Fraser Stoddart)、蘇格蘭愛丁堡大學(Edinburgh University)博士,目前是美國西北大學(Northwestern University)化學教授;以及現年65歲的費林加(Bernard L. Feringa),荷蘭格羅寧根大學(Rijksuniversiteit Groningen)有機化學教授。

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3人憑藉設計與合成「分子機器」(for the design and synthesis of molecular machines)的研究獲獎。諾貝爾評審形容,3人發明出全球最細小的機器,只要加上能量,便可以完成特定任務,將化學帶到一個新的層面,預計分子機器將在新物料、傳感器或能量儲存系統等層面上廣泛應用。

「分子機器」見證了科技的小型化(miniaturisation)如何引發一場革命,也為化學研究開啟新頁。

分子電梯
分子電梯

製造「分子機器」的第一步,由索法吉在1983年邁出,他將兩個環狀分子連結在一起,形成鏈狀的「交環烷」(catenane)。分子中的原子通常會以共享電子的方式形成強大的共價鍵(covalent bonds),但是交環烷中的原子卻是以較自由的i機械鍵(mechanical bond)連結。一部機器要能夠運作,前提就是其各個零件能夠做相對運動;交環烷完全符合這個基本要求。

「分子馬達」的第二步要靠斯托達特,他在1991年研發出「輪烷」(rotaxane),結合一個環狀分子與一個「分子輪軸」,並且讓環狀分子繞著輪軸運轉。後來他以輪烷為基礎,進而研發出可上升0.7奈米的「分子電梯」(molecular lift)、可彎折黃金薄片的「分子肌肉」(molecular muscle)與分子電腦晶片。

費林加則是第一位設計出「分子馬達」(molecular motor)的科學家。1999年,他成功讓一具分子轉子葉片(molecular rotor blade)持續以同一方向旋轉。後來他更利用分子馬達轉動1個長28微米、體積是其1萬倍的玻璃汽缸,並且開發出一部「納米車」(nanocar)。

納米車
納米車

瑞典皇家科學院推崇2016年的3位化學獎得主將分子系統提升到「充滿能量」的狀態。從科技發展史的角度來看,分子馬達的地位相當於1830年代的電動馬達,後者衍生出一系列的電動機械。分子機器未來將在材料科學、感測器、能源儲存系統等領域全速前進。

費林加5日接受電話訪問時表示,得獎消息令自己既驚訝又榮幸,但榮譽屬於每一位研究合作者,大家的共同努力才成就了如此傲人的成果。費林加對其獲獎成就解釋說:「一旦在分子層面控制了運動,就為控制其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發開啟了廣闊前景。」

2016年的諾貝爾獎三大科學獎項已經全部揭曉,特別的是,今年的7位得主沒有任何一位是土生土長的美國人(但有幾位在美國的大學任教),這種情況在諾貝爾獎史上相當罕見,2000年迄今只在2007年發生過。■

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