中科院首次實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器宏觀形變 成果發(fā)表在《自然-通訊》

近日，中國科學(xué)院高能物理所研究團(tuán)隊(duì)成功研制出一種錒系分子機(jī)器相關(guān)材料，首次實(shí)現(xiàn)了分子機(jī)器的宏觀形變，并且通過控制紫外線照射時(shí)間就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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》。

起點(diǎn)：有望引發(fā)新技術(shù)革命的“分子機(jī)器”

“分子機(jī)器”是一種分子級(jí)別的微縮型機(jī)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(dòng)下能行使某種特定功能。在生物世界里，分子機(jī)器并不稀奇，比方說，細(xì)胞就類似一個(gè)微型工廠，其中的各種蛋白酶就是分子機(jī)器，它們具備轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的功能。

長(zhǎng)久以來，面對(duì)神奇的自然生命，科學(xué)家們一直在思考一個(gè)問題：“有沒有可能以化學(xué)的方式，人為地制造出分子機(jī)器?”2016年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(zhí)行任務(wù)的分子機(jī)器”。

“第一次工業(yè)革命后，機(jī)器逐漸幫人類承擔(dān)不少繁重的體力勞動(dòng)，也從根本上改變了人類社會(huì)的生產(chǎn)方式和發(fā)展進(jìn)程。我們希望通過化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)分子機(jī)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(bào)》。

近年來，分子機(jī)器研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，科研人員對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的操控也達(dá)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(jī)器上實(shí)現(xiàn)的。

“目前分子機(jī)器離實(shí)際應(yīng)用尚有距離，要想走向?qū)嵱茫P(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器的器件化與集成化，而其中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題是‘如何實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器在群體層面的協(xié)同和宏觀機(jī)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(bào)》，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(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，然而，當(dāng)他們用光照射到錒系-有機(jī)輪烷配合物的晶體上時(shí)，他們意外地發(fā)現(xiàn)，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(jī)器們會(huì)跟著光發(fā)生變化。”梅雷說。

“一開始我們覺得這是一個(gè)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(jī)器在光照的作用下，正在進(jìn)行有規(guī)律的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

“分子機(jī)器研究一直以來的一個(gè)難點(diǎn)，就是讓分子機(jī)器群體中每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元步調(diào)一致。讓分子機(jī)器運(yùn)動(dòng)是很容易實(shí)現(xiàn)，但要把它變成一個(gè)群體，讓每一個(gè)分子都很聽話，并產(chǎn)生一個(gè)宏觀效應(yīng)，那就不容易實(shí)現(xiàn)了。”梅雷說。

觀察到分子機(jī)器協(xié)同一致的現(xiàn)象之后，研究人員一頭“鉆”進(jìn)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(jī)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?cè)谇捌阱H系-有機(jī)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(shí)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(dòng)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(jì)方法，描述出分子的宏觀響應(yīng)效果，還對(duì)現(xiàn)象背后的分子機(jī)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，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。

在審稿意見中，匿名評(píng)審人說：“這是一項(xiàng)高水平的實(shí)驗(yàn)，作者對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋值得贊揚(yáng)。”另一名匿名評(píng)審則說：“通過調(diào)整光照時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲變形的精確控制，這很有趣。”

未來，研究人員還有更遠(yuǎn)的目標(biāo)。“我們想根據(jù)新發(fā)現(xiàn)的分子機(jī)器的機(jī)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(jī)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。(倪思潔)