“分子機器”來了！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，首次實現(xiàn)了分子機器的宏觀形變，并且通過控制紫外線照射時間就能夠?qū)崿F(xiàn)對材料變形曲度的精準(zhǔn)控制。相關(guān)研究成果在線發(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(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，能夠在外界能量驅(qū)動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，細胞就類似一個微型工廠，其中的各種蛋白酶就是分子機器，它們具備轉(zhuǎn)運物質(zhì)的功能。

長久以來，面對神奇的自然生命，科學(xué)家們一直在思考一個問題：“有沒有可能以化學(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)明了行動可控、在給予能源后可執(zhí)行任務(wù)的分子機器”。

“第一次工業(yè)革命后，機器逐漸幫人類承擔(dān)不少繁重的體力勞動，也從根本上改變了人類社會的生產(chǎn)方式和發(fā)展進程。我們希望通過化學(xué)方法實現(xiàn)對分子機器的精確構(gòu)建，引來材料和信息技術(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，分子機器研究已經(jīng)取得了較大進展，科研人員對分子運動的操控也達到了前所未有的新高度，但是這種“控制”大多是在單個分子機器上實現(xiàn)的。

“目前分子機器離實際應(yīng)用尚有距離，要想走向?qū)嵱茫P(guān)鍵在于實現(xiàn)分子機器的器件化與集成化，而其中一個極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題是‘如何實現(xiàn)分子機器在群體層面的協(xié)同和宏觀機械響應(yīng)’。”梅雷說。

歷程：從宏觀到微觀再到宏觀

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(xiàn)。

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

“一開始我們覺得這是一個偶然的現(xiàn)象，后來我們討論了一下，決定把光照和變形的定量關(guān)系做出來。”石偉群說。

定量關(guān)系的結(jié)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，正在進行有規(guī)律的協(xié)同運動。

“分子機器研究一直以來的一個難點，就是讓分子機器群體中每一個結(jié)構(gòu)單元步調(diào)一致。讓分子機器運動是很容易實現(xiàn)，但要把它變成一個群體，讓每一個分子都很聽話，并產(chǎn)生一個宏觀效應(yīng)，那就不容易實現(xiàn)了。”梅雷說。

觀察到分子機器協(xié)同一致的現(xiàn)象之后，研究人員一頭“鉆”進微觀世界，開始研究這一現(xiàn)象到底是如何發(fā)生的，并根據(jù)總結(jié)出的分子機器微觀原理構(gòu)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(chǔ)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(jié)構(gòu)中，成功構(gòu)筑了一例新型光活性錒系聚輪烷材料，并實現(xiàn)了該材料在紫外光照射下的可控宏觀力學(xué)響應(yīng)。”梅雷說。

目標(biāo)：高靈敏度的光制動器

今年年初，他們將這一發(fā)現(xiàn)寫成論文，投給了《自然-通訊》。在論文中，他們不僅展現(xiàn)了新型材料的設(shè)計方法，描述出分子的宏觀響應(yīng)效果，還對現(xiàn)象背后的分子機制進行了闡述。

“論文投出去之后一個月就返回了審稿意見，只有一些小的修改。從投稿到被錄用，中間歷時兩個月。”梅雷說。

在審稿意見中，匿名評審人說：“這是一項高水平的實驗，作者對實驗結(jié)果的解釋值得贊揚。”另一名匿名評審則說：“通過調(diào)整光照時間就可以實現(xiàn)對彎曲變形的精確控制，這很有趣。”

未來，研究人員還有更遠的目標(biāo)。“我們想根據(jù)新發(fā)現(xiàn)的分子機器的機制原理，建構(gòu)出更多的材料體系。未來，我們的目標(biāo)是把分子機器做成一個光制動器。那將會是一種具有高靈敏度和耐用性的新材料。”梅雷說。(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 宏觀形變 分子機器 微縮型機器