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从微观动态到宏观形变 分子机器向实用化方向不断前进

2022年04月28日 10:25:07 人气: 190 来源: 化工仪器网
  我们生活的世界里每一个角落都充斥着机器,这种由各种金属或是非金属部件所组装而成的装置,能够代替我们进行劳动、信息传输等,便利我们的生活,并且从根本上改变了人类生活的生产方式和发展进程。而大部分的机器都是我们能够用肉眼看到的,那么是否也有一种机器,只有几纳米大小,能够从分子层面的机械运动转化为宏观层面的运动,从而实现宏观机器可以实现的各种功能呢?
 
  机器是一种利用转化、施加或传输能量的机械装置的组合。宏观器件与机器的概念甚至可以延伸和扩展到分子水平。而分子器件就是由许多不连续的分子元件组装起来的,并且能够实现特定功能的组装体。分子机器是一种特殊的分子器件,这种概念来源于分子生物学。生命的正常运转是离不开细胞内的分子机器与分子马达的,例如ATP合成酶、驱动蛋白和DNA复制酶等。
 
  在宏观世界中的机器无法自发运动,需要能量供给,例如热能、风能、电能等,才能进行运动。而同样,分子机器的运动也需要能量供给。生命在经过漫长的进化之后具备完善的能量传输系统,以维持生命体内分子机器的运作。但对于分子机器,能量的消耗、化学反应带来的废料堆积都会影响分子机器的运转。 科学家们通过不断的探索之后,最终确定光能和电能是分子机器最常用的能源,使得分子机器更加具有可控性。
 
  这样来看,分子机器远比宏观机器要绿色环保,但目前分子机器离实际应用仍有一段距离,能否走向市场化的关键就在于实现分子机器的器件化与集成化,其中一个极具挑战性的问题就是如何操控其微观结构变化,实现分子机器的宏观机械响应。一般来说,分子是持续随机运动的,比如碳-碳单键中两个碳原子的相对旋转方向是随机的,因此控制分子的定向运动尚有难度。
 
  中科院高能所多学科研究中心石伟群研究员课题组在前期锕系-有机轮烷配合物研究的基础上首次将具有光二聚活性的葫芦[8]脲主客体体系引入到铀酰-轮烷结构中,成功构筑了一例新型光活性锕系聚轮烷材料,并实现了该材料在紫外光照射下的可控宏观力学响应。研究团队还对该分子机器的微观分子机制进行了解析:由于材料晶格中各结构单元的巧妙组装,局部光化学反应产生的内应力得以在晶格中有效累积,最终诱导了棒状晶体材料的光致弯曲。该研究中晶体材料的光致弯曲速率要比其它光致弯曲晶体低两个数量级,为晶态分子机器光致响应的中间态化合物捕捉及其宏观弯曲的精确控制提供了可能。
 
  这项研究实现了分子机器的微观结构变化向宏观力学响应的跨越,将分子机器向实用化方向做了有力的推动。并且通过建立微观结构变化与宏观可控运动之间的构效关系,也为构筑其他具有宏观相应和可控运动行为的新型分子机器提供了新思路和科学参考。
 
  2016年诺贝尔化学奖授予“人工分子机器的设计与合成”领域,更加激励人们在分子与纳米尺度上设计和制造机器。回顾机械的发展历史,始终向着自动化、智能化方向迈进,并且极大地促进了人类的生存和生活方式。尽管目前人们在分子尺度上制造机器仍处于原始萌芽时期,所要面临的困难也远远复杂于宏观机器。但是,分子机器为研究生物过程提供了原理性器件分子,使人们真正从微观的分子领域去思考生命过程,也为模拟生物过程并最终将生物过程付之实践提供了无限可能。
 
  (资料参考来源:中科院高能物理研究所、百科、知网等)
 
  原标题:从微观动态到宏观形变 分子机器向实用化方向不断前进
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