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分子機器先鋒 法英荷3學者奪諾貝爾化學獎 助發展醫療機械人

鉅亨網 鉅亨網 2016/10/6 鉅亨網新聞中心

2016 年諾貝爾化學獎由法國、英國和荷蘭 3 名學者共同獲得,以表彰他們在「分子機器」設計與合成領域的貢獻。諾貝爾獎評選委員會認為,他們發明了「世界上最小的機器」,將化學發展推向一個新的維度,未來「醫療機械人」替人類醫病將不只是電影情節。

香港明報、文匯報、星島日報綜合外媒報導,得獎學者分別是 71 歲法國人索瓦日 (Jean-Pierre Sauvage)、74 歲英國人斯托達特 (J. Fraser Stoddart) 和 65 歲荷蘭人費林加 (Bernard L. Feringa)。索瓦日是法國斯特拉斯堡大學榮譽教授兼法國國家科學研究中心 (CNRS) 名譽研究主任;斯托達特為美國西北大學化學教授;費林加則是荷蘭格羅寧根大學有機化學教授。

在 20 世紀中期,分子化學研究興起,不少學者致力想製出奈米級化學機械人而未成功。3 位獲獎者完成了分子機器設計與合成的「三部曲」。首先,索瓦日在 1983 年製出「分子環」,繼而用環製出「分子鏈」。有別於堅固的「化學鍵」(chemical bonding),「分子鏈」之間屬可活動的機械結合,這正是製造分子機器、令其可運作的關鍵。

1991 年,斯托達特更進一步,他把一串分子環套在一條分子軸之上。在這基礎下,製出了分子升降機、分子肌肉和分子電腦晶片。費林加則在 1999 年製出可連續單向轉動的「分子摩打」,可讓比摩打大 1 萬倍的玻璃缸旋轉,並以此設計出一輛奈米車。

3 人研究的獨到之處,在於人工創造出活動可受控制的分子。這些奈米級分子機器可作為微型摩打、活塞或輪子,會因應光線或溫度轉變而作出機械動作。分子機器有望製成人工肌肉、迷你機械人、仿生義肢的組件,又或在血管內工作的醫療機械人。

例如在科幻電影出現的情節中,主角被注射一些非常微小的液狀物質,裏頭其實是成千上萬個微形機械人,可以進入人體細胞、殺掉病菌,讓人恢復健康。如此情節並非天馬行空,索瓦日、斯托達特、費林加一同讓「分子機器」成為可能。

評選委員會表示,就像 19 世紀 30 年代,當電動發動機被發明出來時,科學家未曾想過它會在電氣火車、洗衣機、電風扇上等被廣泛運用。而分子機器正如當年的電動發動機一樣,未來很有可能將用於開發新材料、新型感測器和電腦、能量存儲系統等。斯托達特已研製了一個記憶容量 20KB 的分子電腦晶片。

評審指出,3 人的貢獻就像提供了一個「分子工具箱」,為未來創造更先進的分子機器提供基礎。3 人現時的研究就如「電動摩打處於 1830 年代」,雖屬雛型,將來相信會效用無窮。

3 人將平分 800 萬瑞朗獎金。評審委員會讚揚 3 人的研究對科學界有無比貢獻,猶如留下了一個「工具箱」,讓科學家得以自由設計及建造不同的分子機器。

費林加亦對未來充滿信心,他昨說﹕「我覺得有點像 100 年前首次飛行的萊特兄弟。當年的人會問『何需飛行器?』不過今時今日我們已有了波音 747 和空中巴士。」索瓦日昨稱,對獲獎感到意外和極度歡喜。

香港浸會大學化學系副教授梁湛輝博士,曾經跟隨本屆化學諾獎得主之一的斯托達特作博士後研究員 3 年,他形容 3 名得主是「分子建築師」,他們設計的分子機器,未來有助研發能夠找出並殺滅癌細胞的微型機器,或者比半導體更細的電腦記憶體材料。

不少人把發現分子機器與發明飛機相提並論,認為兩者具有同等重要性。諾貝爾獎評審之一貝克瓦爾就認為,分子機器真正意義在於其無限潛能。依靠分子機器,科學家可以將機器零件縮小至極限,從而提升機器性能。舉例來說,現今科技可以製造出只有硬幣那麼大的晶片,儲存數以 GB 計的資訊。如果引入分子機器科技,不但晶片可以再進一步縮小,資訊儲存量更會有飛躍性的提升。

分子機器探測癌細胞的可能性成為不少人的焦點,貝克瓦爾表示科學家可以透過調校分子機器,讓它們在接近癌細胞時產生特定反應。雖然這個用途仍處於想像階段,但值得研究。

分子機器似乎將會帶來莫大的貢獻,但有人擔心它會否成為破壞的工具。貝克瓦爾認為目前不需要擔心這個問題,他暫時看不出分子機器有行惡的用途,「以機械人來比喻,愈大就愈危險,但如果像分子那麼小,現在還不足以構成威脅。」 

闊度不足頭髮千分之一的分子機器研究只是起步階段,但已逐漸展示深厚的應用潛力,2013 年便有研究團隊打造出一個「分子機器人」,能夠抓住及連結氨基酸,令科學家大為讚嘆。分子機器也可用於醫療用途,例如精確運送藥物到人類體內目的地,也可用於製造新物料,包括電池、感光器材及電腦晶片等,潛力無可限量。

科學家已成功把分子摩打連接聚合物,製作出一個網狀分子裝置,當遇光時便會收縮,並把能量儲存起來,只要能夠找到方法取回這些能量,便有望製作成「分子電池」,而遇光收縮的特性也可用作新的感光物料。

今年獲獎的斯托達特也試過用輪烷製作分子電腦晶片,儲存容量達到 20kB,有望成為製造電腦的新一代物料。

斯托達特 (圖:AFP)

斯托達特 (74 歲),1942 年生於英國蘇格蘭,蘇格蘭愛丁堡大學博士,任職美國西北大學化學系校級教授,曾獲美國化學學會科佩學人獎 (1999)、愛因斯坦世界科學獎 (2007)。

費林加 (圖:AFP)

費林加 (65 歲),1951 年生於荷蘭埃門,荷蘭格羅寧根大學博士,任職荷蘭格羅寧根大學有機化學系教授。曾獲斯賓諾莎獎 (2004)、居里夫人獎 (2013)、美國化學學會科佩學人獎 (2014)。

紹瓦熱 (圖:AFP)

紹瓦熱 (71 歲),1944 年生於法國巴黎,法國斯特拉斯堡大學博士,任職法國斯特拉斯堡大學榮休教授,曾獲法國化學學會皮埃爾休獎 (2005)、日本配位化學獎 (2009)。

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