2016年諾貝爾化學獎得主5日揭曉,由法國的索瓦希(Jean-Pierre Sauvage)、英國的史托達特(Sir J. Fraser Stoddart)、荷蘭的費倫加(Bernard L. Feringa)3位大師共享殊榮與800萬瑞典克朗(約新台幣3000萬元)獎金,得獎理由是設計與合成出全世界最小的機器──「分子機器」(molecular machines)。
瑞典皇家科學院(Kungliga Vetenskapsakademien)指出,3位科學家研發出全世界最小的機器,也就是其運動可以控制的分子,這些「分子機器」一旦被施加能量,就可以執行特定的工作,例如分子電梯、分子肌肉、分子晶片、分子馬達、奈米車。
「分子機器」見證了科技的小型化(miniaturisation)如何引發一場革命,也為化學研究開啟新頁。
分子電梯、分子肌肉、分子馬達
製造分子機器的第一步,由索瓦希在1983年邁出,他將兩個環狀分子連結在一起,形成鏈狀的「交環烷」(catenane)。分子中的原子通常會以共享電子的方式形成強大的共價鍵(covalent bonds),但是交環烷中的原子卻是以較自由的i機械鍵(mechanical bond)連結。一部機器要能夠運作,前提就是其各個零件能夠做相對運動;交環烷完全符合這個基本要求。
分子機器的第二步要靠史托達特,他在1991年研發出「輪烷」(rotaxane),結合一個環狀分子與一個「分子輪軸」,並且讓環狀分子繞著輪軸運轉。後來他以輪烷為基礎,進而研發出可上升0.7奈米的「分子電梯」(molecular lift)、可彎折黃金薄片的「分子肌肉」(molecular muscle)與分子電腦晶片。
費倫加則是第一位設計出「分子馬達」(molecular motor)的科學家。1999年,他成功讓一具分子轉子葉片(molecular rotor blade)持續以同一方向旋轉。後來他更利用分子馬達轉動1個長28微米、體積是其1萬倍的玻璃汽缸,並且開發出一部「奈米車」(nanocar)。
瑞典皇家科學院推崇2016年的3位化學獎得主將分子系統提升到「充滿能量」的狀態。從科技發展史的角度來看,分子馬達的地位相當於1830年代的電動馬達,後者衍生出一系列的電動機械。分子機器未來將在材料科學、感測器、能源儲存系統等領域全速前進。