世界上最小的机器有多小？
答案是只有发丝千分之一粗细！
在合成化学领域
微型电梯、微型电机、微缩肌肉
它们都有一个共同的名字：
分子机器
5月10日（周五）上午
“浦江科学大师讲坛”第六期
将于复旦大学相辉堂举行
2016年诺贝尔化学奖得主
伯纳德·卢卡斯·费林加
（Bernard Lucas Feringa）将以
造“小”的艺术：从分子开关到分子马达
为题分享他的科学故事大师开讲前
一起先行领略
微观分子世界的奇妙之处！
01

微观分子世界与人类社会有怎样的联结？
首先，“小”是一切“大”的基础。研究肉眼不可见的微小之物，有助于我们理解世界的运行规律——这不仅仅是科学家出于好奇心的探索，亦是人类追寻世界本源、拓宽认知边界的重要一步。
其次，“小”本身也有独特价值。对“小”的研究可以重塑我们的生活方式。生活在上个世纪的人大概无论如何也想象不到，今天的我们可以把曾经塞满整个房间的电脑捧在手上。正是由于几十年来科学家们不断缩小晶体管尺寸的努力，才有了人类今天交流与获取信息的便捷。
由此可见，如果将机器做到分子尺度，也可能给人类社会带来革命性的改变。当然，建造分子机器所面临的问题与上述领域并不相同——它是化学和物理学科的重大挑战，主要集中于合成化学、分子组装与纳米技术等方面。
02

费林加教授有何重要研究成果？
伯纳德·卢卡斯·费林加（Bernard Lucas Feringa），1951年出生于荷兰，有机化学家，主要从事分子机器与有机不对称催化等领域的研究。
2016年的诺贝尔化学奖颁给了包括费林加教授在内的三位科研人员，以表彰他们在分子机器领域做出的贡献。其中，费林加教授设计并合成了一个能定向旋转的分子马达（molecular motor），这个马达可以带动一个比它本身大1万倍的玻璃棒（28微米长）旋转起来，从而完成了分子机器领域研究的关键一环。

▲费林加教授设计并合成的分子汽车。图片来源：Nature

03

什么是分子机器，其重要价值是什么？
分子机器是一种能在分子层面上实现将外部能量输入转化成运动输出的装置。通俗地说，分子机器就是在分子层面这种微观尺度上运行的机器，也可以说是世界上最小的机器。
分子机器的出现，将化学研究推向了一个新的维度，可谓是引发了一场“分子革命”。与日常生活中我们所使用的、主要基于机械和物理原理的机器不一样，分子机器聚焦于分子研究。未来，分子机器有可能被用于新型传感器、新材料和能量储存系统等前沿领域。
费林加教授合成的分子马达，便是将宏观意义上的发动机在微观层面复现，是分子机器的关键组成部件之一。他曾说：“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了可能。这一研究成果为未来新材料的研发开启了广阔前景。”
04

分子机器的研究历史是怎样的？
“用分子制造机器”这一想法早已有之。早在1959年，物理学家理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）就谈到过“在小范围内操纵和控制事物”的问题，其中“小范围”指的就是由一个或几个分子所组成的机器。
二十年后，纳米技术先驱埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）偶然发现了费曼关于机器讲座的抄本。他在费曼设想的基础上做出了进一步发展，于1981年发表了一篇名为《分子工程》的论文。在文章中，德雷克斯勒提出了通过分子大小的机器在原子尺度上操纵化学过程、甚至构建新材料的设想。

▲图片来源：RSC; Univ. Groningen; Vincent Kessler/REUTERS

再后来，便是三位诺奖得主的工作。首先，索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）教授成功合成了一种名为索烃（catenane）的两个互扣的环状分子，这两个分子能够相对移动；随后，斯托达特（Sir J. Fraser Stoddart）教授合成了轮烷（rotaxane），即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上，且环状分子能围绕这个轴上下移动，并成功实现了上升高度达0.7纳米的“分子电梯”和可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”；最后，费林加教授设计并合成分子马达。有了这三种关键部件，分子机器的概念才得以完全构建起来。 

▲轮烷（上），索烃（下）。图片来源：Wikipedia

05

费林加教授曾说，化学的力量不仅仅是理解，还在于创造那些未曾存在的分子和物质。应该如何理解？
对于化学特别是有机化学领域的科研工作者来说，其重要使命就是合成这个世界上不存在的新分子结构，实现新材料功能，同时提供新的科学见解。
今天我们深入微观世界，研究“小”的艺术，便是在另一种时空尺度上迎接新的机遇与挑战——这是化学独特魅力与创造力的体现，亦是人类不断探索未知、拥抱无限可能的永恒追求。
想要探索更多分子世界的奥秘
与诺奖得主面对面？
欢迎关注“浦江科学大师讲坛”
直播通道见下方报告人：
伯纳德·卢卡斯·费林加
（Bernard Lucas Feringa）
范特霍夫分子科学名誉教授
荷兰皇家科学院院士
欧洲科学院院士
美国国家科学院外籍院士
美国人文与科学院外籍院士
中国科学院外籍院士
2016 年诺贝尔化学奖得主
报告主题：
造“小”的艺术: 从分子开关到分子马达
报告摘要：
维持生命的分子马达和机器为纳米分子科学家提供了灵感来源。复杂人工分子系统设计面临的主要挑战之一是对动态性和非平衡行为的响应性调控。化学系统和自适应材料最终需要在不同层次上整合多组分动态分子组装的结构、组织和功能，其中一个主要的目标是在分子层面实现线性和旋转运动。
本报告将聚焦功能分子系统的动态性调控及其组装过程。通过设计分子开关和马达，使其中分子运动与特定功能相耦合。例如，光药理学为光控制生物功能提供了重要机遇；光响应运动也将在自组装和软物质材料中得到体现，并聚焦如何实现协同运动，以及在二维、三维组装体中实现多尺度动态性的集成和放大。最后，通过介绍分子马达及其机器的合成和功能应用，对未来动态分子系统和材料进行展望。
浦江科学大师讲坛
让顶尖科学家的思想，从上海向全球传播，向全球呈现科学之美、科学之光、科学之慧。“浦江科学大师讲坛”由上海市政协发起并主管，上海市政协科技和教育委员会、复旦大学、中共上海市科学技术工作委员会、上海市科学技术委员会、上海市科学技术协会、世界顶尖科学家协会共同主办，得到上海市科委科普项目资助，旨在打造全球顶尖科学家竞相展示科学思想的大平台、引领人类攀登科学高峰的大本营，让更多顶尖科学家的思想留在上海、汇聚在上海，成为上海强化创新策源功能、推进科创中心建设的重要平台。今年讲坛拟举办4期，邀请全球知名顶尖科学家开讲，欢迎关注官方网站 http://shmfs.com.cn，查询了解相关资讯。
（原题为《用分子造机器？诺奖得主周五复旦开讲！》）