世界上最小的機器有多小？答案是只有發絲千分之一粗細！在合成化學領域，微型電梯💆🏿🧑🏻🦯➡️、微型電機、微縮肌肉都有一個共同的名字🤧：分子機器。
5月10日（周五）上午🏝，“浦江科學大師講壇”第六期將於EON体育4平台相輝堂舉行🐧。2016年諾貝爾化學獎得主伯納德·盧卡斯·費林加（Bernard Lucas Feringa）將以造“小”的藝術👨🏽⚕️🧘：從分子開關到分子馬達為題分享他的科學故事🐔🦣。
大師開講前👩🏻🦼➡️，一起先行領略微觀分子世界的奇妙之處！
微觀分子世界與人類社會有怎樣的聯結？
首先，“小”是一切“大”的基礎。研究肉眼不可見的微小之物，有助於我們理解世界的運行規律——這不僅僅是科學家出於好奇心的探索，亦是人類追尋世界本源、拓寬認知邊界的重要一步。
其次，“小”本身也有獨特價值。對“小”的研究可以重塑我們的生活方式🕸。生活在上個世紀的人大概無論如何也想象不到，今天的我們可以把曾經塞滿整個房間的電腦捧在手上🍥。正是由於幾十年來科學家們不斷縮小晶體管尺寸的努力🤪，才有了人類今天交流與獲取信息的便捷。
由此可見，如果將機器做到分子尺度🪈👩🏻🏭，也可能給人類社會帶來革命性的改變。當然，建造分子機器所面臨的問題與上述領域並不相同——它是化學和物理學科的重大挑戰，主要集中於合成化學🛩、分子組裝與納米技術等方面👾🧑🏻🎓。
費林加教授有何重要研究成果？
伯納德·盧卡斯·費林加（Bernard Lucas Feringa）🍪，1951年出生於荷蘭🐺，有機化學家，主要從事分子機器與有機不對稱催化等領域的研究👨🦼➡️。
2016年的諾貝爾化學獎頒給了包括費林加教授在內的三位科研人員，以表彰他們在分子機器領域做出的貢獻。其中✍🏼，費林加教授設計並合成了一個能定向旋轉的分子馬達（molecular motor）🙍🏿，這個馬達可以帶動一個比它本身大1萬倍的玻璃棒（28微米長）旋轉起來🧼，從而完成了分子機器領域研究的關鍵一環。
費林加教授設計並合成的分子汽車。圖片來源↪️：Nature
什麽是分子機器，其重要價值是什麽🙆🏼♂️？
分子機器是一種能在分子層面上實現將外部能量輸入轉化成運動輸出的裝置。通俗地說，分子機器就是在分子層面這種微觀尺度上運行的機器🛌🏻，也可以說是世界上最小的機器💂🏻🧑🏿🦲。
分子機器的出現，將化學研究推向了一個新的維度，可謂是引發了一場“分子革命”。與日常生活中我們所使用的、主要基於機械和物理原理的機器不一樣，分子機器聚焦於分子研究。未來，分子機器有可能被用於新型傳感器🧑、新材料和能量儲存系統等前沿領域。
費林加教授合成的分子馬達，便是將宏觀意義上的發動機在微觀層面復現😉，是分子機器的關鍵組成部件之一🧜🏻♂️。他曾說：“一旦在分子層面控製了運動，就為控製其他各種形式的運動提供了可能⏪。這一研究成果為未來新材料的研發開啟了廣闊前景🔅。”
分子機器的研究歷史是怎樣的？
“用分子製造機器”這一想法早已有之👨✈️🐶。早在1959年，物理學家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）就談到過“在小範圍內操縱和控製事物”的問題，其中“小範圍”指的就是由一個或幾個分子所組成的機器。
二十年後👱♂️🙆🏿♀️，納米技術先驅埃裏克·德雷克斯勒（Eric Drexler）偶然發現了費曼關於機器講座的抄本👩🏽⚖️。他在費曼設想的基礎上做出了進一步發展，於1981年發表了一篇名為《分子工程》的論文。在文章中，德雷克斯勒提出了通過分子大小的機器在原子尺度上操縱化學過程🌏、甚至構建新材料的設想😄。
圖片來源：RSC; Univ. Groningen; Vincent Kessler/REUTERS
再後來，便是三位諾獎得主的工作👆🏻。首先🏖，索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）教授成功合成了一種名為索烴（catenane）的兩個互扣的環狀分子◀️，這兩個分子能夠相對移動；隨後，斯托達特（Sir J. Fraser Stoddart）教授合成了輪烷（rotaxane），即將一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環狀分子能圍繞這個軸上下移動🌓，並成功實現了上升高度達0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”🤦🏽♀️；最後，費林加教授設計並合成分子馬達。有了這三種關鍵部件，分子機器的概念才得以完全構建起來。
輪烷（左）🪖，索烴（右）。圖片來源：Wikipedia
費林加教授曾說，化學的力量不僅僅是理解，還在於創造那些未曾存在的分子和物質𓀇。應該如何理解👰🏽🙎🏻？
對於化學特別是有機化學領域的科研工作者來說🧚♂️，其重要使命就是合成這個世界上不存在的新分子結構，實現新材料功能，同時提供新的科學見解。
今天我們深入微觀世界，研究“小”的藝術，便是在另一種時空尺度上迎接新的機遇與挑戰——這是化學獨特魅力與創造力的體現，亦是人類不斷探索未知、擁抱無限可能的永恒追求。
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【報告人】
伯納德·盧卡斯·費林加（Bernard Lucas Feringa），範特霍夫分子科學名譽教授、荷蘭皇家科學院院士🍫、歐洲科學院院士、美國國家科學院外籍院士、美國人文與科學院外籍院士、中國科學院外籍院士🧑🏽🏭、2016年諾貝爾化學獎得主
【報告主題】
造“小”的藝術: 從分子開關到分子馬達
【報告摘要】
維持生命的分子馬達和機器為納米分子科學家提供了靈感來源👦🏼。復雜人工分子系統設計面臨的主要挑戰之一是對動態性和非平衡行為的響應性調控。化學系統和自適應材料最終需要在不同層次上整合多組分動態分子組裝的結構、組織和功能，其中一個主要的目標是在分子層面實現線性和旋轉運動👩🏼🍼。
本報告將聚焦功能分子系統的動態性調控及其組裝過程。通過設計分子開關和馬達🫄🏻，使其中分子運動與特定功能相耦合。例如，光藥理學為光控製生物功能提供了重要機遇🔋；光響應運動也將在自組裝和軟物質材料中得到體現，並聚焦如何實現協同運動🏃🏻♂️➡️，以及在二維、三維組裝體中實現多尺度動態性的集成和放大。最後，通過介紹分子馬達及其機器的合成和功能應用，對未來動態分子系統和材料進行展望。
【浦江科學大師講壇】
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