“分子機器”來(lái)了！科學(xué)家成功研制出分子機器材料

近日，中國科學(xué)院高能物理所研究團隊成功研制出一種錒系分子機器相關(guān)材料，首次實(shí)現了分子機器的宏觀(guān)形變，并且通過(guò)控制紫外線(xiàn)照射時(shí)間就能夠實(shí)現對材料變形曲度的精準控制。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于國際期刊《自然-通訊》。

“分子機器”是一種分子級別的微縮型機器。它由分子尺度的結構單元構成，能夠在外界能量驅動(dòng)下能行使某種特定功能。在生物世界里，分子機器并不稀奇，比方說(shuō)，細胞就類(lèi)似一個(gè)微型工廠(chǎng)，其中的各種蛋白酶就是分子機器，它們具備轉運物質(zhì)的功能。

長(cháng)久以來(lái)，面對神奇的自然生命，科學(xué)家們一直在思考一個(gè)問(wèn)題：“有沒(méi)有可能以化學(xué)的方式，人為地制造出分子機器?”2016年，諾貝爾化學(xué)獎授予了三位超分子化學(xué)家，以表彰他們“發(fā)明了行動(dòng)可控、在給予能源后可執行任務(wù)的分子機器”。

“第一次工業(yè)革命后，機器逐漸幫人類(lèi)承擔不少繁重的體力勞動(dòng)，也從根本上改變了人類(lèi)社會(huì )的生產(chǎn)方式和發(fā)展進(jìn)程。我們希望通過(guò)化學(xué)方法實(shí)現對分子機器的精確構建，引來(lái)材料和信息技術(shù)的新一輪變革。”論文通訊作者、中國科學(xué)院高能物理研究所青年研究員梅雷告訴《中國科學(xué)報》。

近年來(lái)，分子機器研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，科研人員對分子運動(dòng)的操控也達到了前所未有的新高度，但是這種“控制”大多是在單個(gè)分子機器上實(shí)現的。

“目前分子機器離實(shí)際應用尚有距離，要想走向實(shí)用，關(guān)鍵在于實(shí)現分子機器的器件化與集成化，而其中一個(gè)極具挑戰性的科學(xué)問(wèn)題是‘如何實(shí)現分子機器在群體層面的協(xié)同和宏觀(guān)機械響應’。”梅雷說(shuō)。

歷程：從宏觀(guān)到微觀(guān)再到宏觀(guān)

論文通訊作者、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員石偉群告訴《中國科學(xué)報》，這一成果做了三年，最初源于一次偶然的發(fā)現。

2018年底，研究人員原本在研究溶液中錒系超分子體系的動(dòng)態(tài)響應行為，然而，當他們用光照射到錒系-有機輪烷配合物的晶體上時(shí)，他們意外地發(fā)現，晶體有輕微的變形。“就像個(gè)向日葵一樣，配合物中的分子機器們會(huì )跟著(zhù)光發(fā)生變化。”梅雷說(shuō)。

“一開(kāi)始我們覺(jué)得這是一個(gè)偶然的現象，后來(lái)我們討論了一下，決定把光照和變形的定量關(guān)系做出來(lái)。”石偉群說(shuō)。

定量關(guān)系的結果讓他們非常興奮。他們初步推斷，分子機器在光照的作用下，正在進(jìn)行有規律的協(xié)同運動(dòng)。

“分子機器研究一直以來(lái)的一個(gè)難點(diǎn)，就是讓分子機器群體中每一個(gè)結構單元步調一致。讓分子機器運動(dòng)是很容易實(shí)現，但要把它變成一個(gè)群體，讓每一個(gè)分子都很聽(tīng)話(huà)，并產(chǎn)生一個(gè)宏觀(guān)效應，那就不容易實(shí)現了。”梅雷說(shuō)。

觀(guān)察到分子機器協(xié)同一致的現象之后，研究人員一頭“鉆”進(jìn)微觀(guān)世界，開(kāi)始研究這一現象到底是如何發(fā)生的，并根據總結出的分子機器微觀(guān)原理構建出了一例“新型光活性錒系聚輪烷材料”。

“我們在前期錒系-有機輪烷配合物研究的基礎上，首次將具有光二聚活性的葫蘆脲主客體體系引入到鈾酰-輪烷結構中，成功構筑了一例新型光活性錒系聚輪烷材料，并實(shí)現了該材料在紫外光照射下的可控宏觀(guān)力學(xué)響應。”梅雷說(shuō)。

目標：高靈敏度的光制動(dòng)器

今年年初，他們將這一發(fā)現寫(xiě)成論文，投給了《自然-通訊》。在論文中，他們不僅展現了新型材料的設計方法，描述出分子的宏觀(guān)響應效果，還對現象背后的分子機制進(jìn)行了闡述。

“論文投出去之后一個(gè)月就返回了審稿意見(jiàn)，只有一些小的修改。從投稿到被錄用，中間歷時(shí)兩個(gè)月。”梅雷說(shuō)。

在審稿意見(jiàn)中，匿名評審人說(shuō)：“這是一項高水平的實(shí)驗，作者對實(shí)驗結果的解釋值得贊揚。”另一名匿名評審則說(shuō)：“通過(guò)調整光照時(shí)間就可以實(shí)現對彎曲變形的精確控制，這很有趣。”

未來(lái)，研究人員還有更遠的目標。“我們想根據新發(fā)現的分子機器的機制原理，建構出更多的材料體系。未來(lái)，我們的目標是把分子機器做成一個(gè)光制動(dòng)器。那將會(huì )是一種具有高靈敏度和耐用性的新材料。”梅雷說(shuō)。(中國科學(xué)報記者 倪思潔)

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關(guān)鍵詞： 錒系分子機器 宏觀(guān)形變 分子機器 微縮型機器