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從微觀動態(tài)到宏觀形變 分子機器向?qū)嵱没较虿粩嗲斑M

2022-04-28 10:25:07來源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：446 評論

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導讀：機器是一種利用轉(zhuǎn)化、施加或傳輸能量的機械裝置的組合。宏觀器件與機器的概念甚至可以延伸和擴展到分子水平。

　　我們生活的世界里每一個角落都充斥著機器，這種由各種金屬或是非金屬部件所組裝而成的裝置，能夠代替我們進行勞動、信息傳輸?shù)?，便利我們的生活，并且從根本上改變了人類生活的生產(chǎn)方式和發(fā)展進程。而大部分的機器都是我們能夠用肉眼看到的，那么是否也有一種機器，只有幾納米大小，能夠從分子層面的機械運動轉(zhuǎn)化為宏觀層面的運動，從而實現(xiàn)宏觀機器可以實現(xiàn)的各種功能呢？
 
　　機器是一種利用轉(zhuǎn)化、施加或傳輸能量的機械裝置的組合。宏觀器件與機器的概念甚至可以延伸和擴展到分子水平。而分子器件就是由許多不連續(xù)的分子元件組裝起來的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的組裝體。分子機器是一種特殊的分子器件，這種概念來源于分子生物學。生命的正常運轉(zhuǎn)是離不開細胞內(nèi)的分子機器與分子馬達的，例如ATP合成酶、驅(qū)動蛋白和DNA復制酶等。
 
　　在宏觀世界中的機器無法自發(fā)運動，需要能量供給，例如熱能、風能、電能等，才能進行運動。而同樣，分子機器的運動也需要能量供給。生命在經(jīng)過漫長的進化之后具備完善的能量傳輸系統(tǒng)，以維持生命體內(nèi)分子機器的運作。但對于分子機器，能量的消耗、化學反應帶來的廢料堆積都會影響分子機器的運轉(zhuǎn)。 科學家們通過不斷的探索之后，最終確定光能和電能是分子機器最常用的能源，使得分子機器更加具有可控性。
 
　　這樣來看，分子機器遠比宏觀機器要綠色環(huán)保，但目前分子機器離實際應用仍有一段距離，能否走向市場化的關(guān)鍵就在于實現(xiàn)分子機器的器件化與集成化，其中一個極具挑戰(zhàn)性的問題就是如何操控其微觀結(jié)構(gòu)變化，實現(xiàn)分子機器的宏觀機械響應。一般來說，分子是持續(xù)隨機運動的，比如碳-碳單鍵中兩個碳原子的相對旋轉(zhuǎn)方向是隨機的，因此控制分子的定向運動尚有難度。
 
　　中科院高能所多學科研究中心石偉群研究員課題組在前期錒系-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[8]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響應。研究團隊還對該分子機器的微觀分子機制進行了解析：由于材料晶格中各結(jié)構(gòu)單元的巧妙組裝，局部光化學反應產(chǎn)生的內(nèi)應力得以在晶格中有效累積，最終誘導了棒狀晶體材料的光致彎曲。該研究中晶體材料的光致彎曲速率要比其它光致彎曲晶體低兩個數(shù)量級，為晶態(tài)分子機器光致響應的中間態(tài)化合物捕捉及其宏觀彎曲的精確控制提供了可能。
 
　　這項研究實現(xiàn)了分子機器的微觀結(jié)構(gòu)變化向宏觀力學響應的跨越，將分子機器向?qū)嵱没较蜃隽擞辛Φ耐苿印２⑶彝ㄟ^建立微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀可控運動之間的構(gòu)效關(guān)系，也為構(gòu)筑其他具有宏觀相應和可控運動行為的新型分子機器提供了新思路和科學參考。
 
　　2016年諾貝爾化學獎授予“人工分子機器的設(shè)計與合成”領(lǐng)域，更加激勵人們在分子與納米尺度上設(shè)計和制造機器。回顧機械的發(fā)展歷史，始終向著自動化、智能化方向邁進，并且極大地促進了人類的生存和生活方式。盡管目前人們在分子尺度上制造機器仍處于原始萌芽時期，所要面臨的困難也遠遠復雜于宏觀機器。但是，分子機器為研究生物過程提供了原理性器件分子，使人們真正從微觀的分子領(lǐng)域去思考生命過程，也為模擬生物過程并最終將生物過程付之實踐提供了無限可能。
 
　　(資料參考來源：中科院高能物理研究所、百科、知網(wǎng)等)
 
　　原標題：從微觀動態(tài)到宏觀形變 分子機器向?qū)嵱没较虿粩嗲斑M
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