分子机器诺奖了,纳米冰箱何时到你家？

纳米冰箱离你家远吗？其实有点像上个世纪的初期，人们还没有造出汽车，但是一些设计了零部件模型。所以保守的估计纳米心脏，纳米汽车，纳米心脏尚须几十年时间，少说也要二十年。

今年诺贝尔化学奖给了“分子机器的设计与合成”的三位欧洲籍科学家。他们是：法国化学家让-皮埃尔-索维奇，1944年生于法国巴黎，法国斯特拉斯堡大学名誉教授；英国化学家J-弗雷泽-斯托达特爵士，1942年生于英国苏格兰爱丁堡，供职于美国西北大学；荷兰化学家伯纳德-L-费林加，1951年生于荷兰，格罗宁根大学教授。

这三位科学家发明了“全世界最小的机器”，将分子合成在一起，使其成为极微小的电机和传动装置，这些机器比一根头发丝(一微米)的1000分之一还要细。分子机器，指由分子尺度的物质构成、能行使某种功能的机器，其构件主要是蛋白质等生物分子。因其尺寸多为纳米级，又称生物纳米机器，具有小尺寸、多样性、分子柔性、自适应、仅依靠化学能或热能驱动、分子调剂等其他人造机器难以比拟的性能，因此研究生物纳米机器具有重大意义。将自动化装配降低到如此小的尺寸，显然会给所有的生产制造部门带来强大的冲击。

今年诺贝尔奖的研究了什么？
让-皮埃尔-索维奇早在1983年就迈出了分子机器的第一步。当时他成功将环状分子连接成链，名为索烃。一般来说，分子有强大的共价键连起来，原子在共价键共享电子，但是在链条中，分子则被更加自由的机器纽带连接在一起。一架能够执行任务的机器必须包含可以相对移动的部分。这两个交叉连结的环正好满足了这个条件。
1991年，斯托达特爵士进行了第二步。他分解出了轮烷。他将分子环缠绕在很细的分子轴上，表明分子环可以沿着分子轴移动。他的实验基于轮状化合物，包括分子起重机、分子肌和分子级别的电脑芯片。

伯纳德-L-费林是第一个做出了分子马达的人。1999年，他得到了一个可以沿着一个方向持续旋转的分子马达叶片。他可以用分子马达旋转一个玻璃量筒，这个量筒是分子马达的1万倍大。他还设计了一个纳米汽车。

2016年的诺贝尔化学奖获得者们将分子体系带出了平衡的僵局，带进了充满能量的状态，在这个状态中分子的运动可以被控制。发展方面，分子马达所处的阶段和19世纪30年代的电动机一样。当时科学家展示了各种旋转的曲柄和轮子，但没意识到它们可以引领电气列车、洗衣机、食品加工器。分子机器最有可能应用在新材料、传感器和储能系统的发展中。

 这三位获奖者与中国化学界的学术交流是很多的，他们都曾多次访问中科院上海有机所、复旦大学等科研机构和高校。2014年在上海举办的国际大环和超分子化学学术会议上，斯托达特爵士是大会报告人之一，他还是天津大学中组部外籍千人，有独立的实验室开展研究。斯托达特和费林加都培养了很多中国留学生。

“分子机器”究竟离我们有多遥远？
据估计，到2020年，你只要通过网络购买一份个人电脑"配方"，然后将可塑性导电分子插入你的"纳米盒"中，该设备就会按 配方造出一台你所需要的电脑。 

美国国防部资助的一个研究中心Mitre公司的艾伦博根认为，人们可以使硬件软件化，因此，利用因特网将不仅可以下载软件，而且还可以下载硬件。 

艾伦博根就硬件软件化的设想，举了一个很实际的例子。"今天，当你下载软件时，仔细思考一下所发生的过程，其实你不过是在通过改变分子簇的磁性，从而重排磁盘上的物质结构！"如果计算机内置比那些分子簇还要小，就可以重排磁盘上的分子来制造芯片。

新的磁盘驱动器将用来复制一些下载的硬件。斯坦福大学的夸特和康奈尔大学的马夫德尔领导的两个研究小组正在进行相关工作，利用隧道扫描电镜的探针或相关的工具来移动原子。1990年，美国加州IBM研究中心的物理学家艾格勒首次成功地在镍片上利用35个氙原子 拼出了"IBM"三个字母。

如此小的计算机将会非常便宜，因而它们将到处可见。这种微型计算机可以提醒洗衣机当前的水温是多少；当你的鞋中装有这种微型计算机时，你的汽车就会知道你正在走近它，从而调整座位、镜子并打开车门，预防车祸。 

硬件软件化的关键技术是纳米盒，一种将纳米制作技术与今天所谓的桌面制作法结合起来的复制机器，可快速复制新产品。如果你需要一部移动电话，可以通过网络购买一个配方，它会告诉你在"调色"箱中插入一块塑片，并喷入导电分子。纳米盒将反复扫描塑片，记下分子的图案。这种微型装置要到2020年左右才会问世，估计也许过于乐观。因为十五年前预计，首次从网络上实现下载纳米电脑线路的实验，估计也得等到2005年之后(可惜至今还未实现)。 

让我们再次回到Mitre公司。1999年8月中旬，艾伦博根所在的研究小组成功设计了一种可以帮助装配纳米制造系统的微型机器人。目前，这种微型机器人一边长约5毫米，即1/6英寸。设想这些机器人利用纳米技术进一步制造比它们自己更小的机 器人，那么最终的机器人将会比尘埃还要小。 

如此之小的机器人，将会实现德雷克斯勒关于操纵单个原子的纳米机器人的幻想。实质上，德雷克斯勒开创了纳米技术时代，并提出了许多富有灵感的想法，如纳米机器人漫游在地毯、架子上，将尘埃拆分为原子，然后将其重新组合为餐巾、肥皂或其它任何物体--包括纳米计算机。 

虽然利用一个个原子来制造计算机目前还是一个遥远的梦想，但是艾伦博根却持乐观态度，他认为很快会有结果："我可以打赌，分子电子学将会实现这个近期目标。" 

最近二十年化学家则想在实验室里用合成的小分子来模拟一些生物大分子机器或者宏观机器的功能，被称为人工分子机器（Artificial molecular machine）。2016年诺贝尔化学奖科学家们使得分子运动具有可控制性，只要加入能量，就能执行任务。分子机器是一个小型升降机、人造肌肉和体型极小的马达。计算的发展为我们展示了技术的微型化将带来怎样的革新。化学奖得主使机器变得微型，并为化学这一领域开辟新的前进道路。

纳米与人类生活的关系：
例如，在洗衣机的某些部件上加一超细颗粒的涂层，可以保护零部件，延长机器的使用寿命。可就是具有这种性能的洗衣机被某些商家宣传成了“超强除菌的纳米洗衣机”。只问这洗衣机所具有的超强除菌功效有什么评判标准呢？还有，所谓的纳米冰箱，只不过是往制作材料里添加了一些氧化钛细粒，从而产生一定的抗菌性能，而到了商家的嘴里，那是不负责任的广告。

经常听说某纳米服装可以保暖、防水、防油。那背后暗藏着什么玄机呢？其实，商家只是将达到纳米尺寸的粉体分散进高分子黏结液，再把面料浸入其中，经过一定的温度和时间达到干燥和韧化，而制成干凝胶膜。其实，这并非只在纳米时代才能做到，商家们将其描述得高不可攀，让人们觉得它很神秘。至于“纳米内衣”和“纳米水杯”宣称能杀菌、治病，就更无科学依据可言了。

还有市场上的护肤液、粉底液、日霜、晚霜、洗面乳，等等，宣传中喊着“传承国际高尖端科学的纳米技术保您容颜不老”，甚至某国际知名品牌竟称其某产品因为有了纳米原维生素，而能产生立竿见影的美容效果。 

纳米医学是什么，对人类影响大吗？
分子机器人如果能够在生物体内自动生成，人类的健康生存和自动化将会出现革命性变革。其最初的应用似乎应是以医疗等领域为中心。比如针对病毒的分子机器人，也许可以通过研发分子钳予只能与特定的病毒相结合并且杀死它们。而且，可以利用分子钳那样的分子机器人，向癌肿部位集中送达药剂等。这样的生物技术药物可能会很快地代替现有药物，为人类创造更好的福音。

分子机器的动力来源主要有化学驱动、电驱动和光驱动。比如ATP合成酶转子是由于质子的流动而旋转，这属于化学驱动；索烃是由于铜离子电子的得失而行使其功能，属于电驱动；而分子蠕虫的“前进”是光照引起了偶氮分子构象的改变引起的，这属于光驱动。

现在，正有科学家试图把如此重要的机械在分子尺寸上组装起来，制造一种极其微小的装置来操控别的分子，运用于医学可以用来清除肌体深处的病毒、癌细胞等，它们具有不可限量的应用前景。在100纳米尺寸内制造芯片，其费用目前相当昂贵。同理，用克隆细胞体外生长可以产生肉食，但是十分昂贵，还没有实用价值。只有生产成本降低后，个头只有分子大小的神奇分子机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

人体每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例。因为构成细胞的物质一般都在纳米量级水平。如果把细胞中的细胞器和其它的结构单元看作是执行某种功能的“纳米机械”，那么，细胞就象一个个“纳米车间”。纳米医学的研究内容十分广泛，凡是与人类生理、病理和医疗有关的内容它都涉及。目前已经用于人体多种正常组织和细胞的纳米级的形态学观察，如红细胞，以获得最佳的真实图象。

 

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1。 基础医学领域

（1） 在分子、原子水平对物质进行直接观察，生物学上对DNA、蛋白质进行形态分析。SPM一问世,生物医学领域就迅速应用于分子结构的观察。目前应用SPM不仅可以描绘出氨基酸分子中碳、氢原子的关系,而且已经直接观察到DNA链螺旋重复等。

（2） 直观下的分子剪辑、DNA特殊位点的定位等高水平研究。如对抗体结构的观察，发现了小球形结构,这种小球结构可能正是抗体的功能区。这对揭示免疫反应机理的实质又提供了独特的方便之门。还有对细胞膜、质膜的观察等都已处在一个个层出不穷的新发现之中。

（3） 细胞的一系列分子生物学研究（膜、离子通道、受体、基因、细胞因子等），提高医学基础科研水平，为临床发展提供动力和线索。

2 临床医学领域

主要致力于诊断和治疗两个方面的应用上。

（1） 疾病诊断治疗上的初试

在疾病诊断领域，使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。在膜技术方面，用纳米材料制成独特的纳米膜，能过滤、筛去制剂的有害成分。在抗癌的治疗手段方面，将一些极其细小的氧化铁纳米颗粒，注入患者的癌瘤里，然后将患者置于可变的磁场中，使患者癌瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到45～47摄氏度烧毁癌瘤细胞，健康组织不会受到伤害。

（2） 在疾病的治疗方面

A 组装新的DNA：基因治疗所面临的最大挑战是：首先要使质粒DNA分布于特定的细胞器----细胞核内，最后还要使其插入特定的DNA位点。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将DNA浓缩至50-200nm大小且带上负电荷，

B 开发纳米机器人：纽约大学的一个实验室最近制造了一个纳米级机器人，研究人员认为，将来，纳米级机器人可遨游于人体微观世界，随时清除人体中的一切有害物质，使人不仅仅保持健康，而且延长寿命。

C 寻找生物兼容物质：在人工器官移植领域，只要在人工器官外面涂上纳米粒子，就可预防人工器官移植的排异反应。

D 开拓新药： 数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。从最近召开的我国首届纳米生物医药研讨会获悉，我国已成功地研制出纳米级的新一代抗菌药物。这种粉末状的纳米颗粒直径只有25纳米，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物有强烈的抑制和杀灭作用，还具有广谱、亲水、环保等多种性能，并因使用天然矿物质而不会产生耐药性。

纳米技术是一项划时代和革命性的技术。目前，对纳米技术的研究还刚刚起步，而在已经形成的产品，纳米技术已经发挥出了神奇的力量。但是，实际应用尚有一段时间。预计在今后二三十年中，纳米技术将一直是科技领域最热的课题，纳米医学的新成果不断呈现在我们的面前。10年以后，也许器官移植会受益匪浅，自己也许可以去商店购买纳米合成的器官，自己安置身体上。