诺奖得主费林加：造“小”的艺术

　　世界上最小的机器有多小？答案是只有发丝千分之一粗细！在合成化学领域，微型电梯、微型电机、微缩肌肉，它们都有一个共同的名字：分子机器。

　　5月中旬，2016年诺贝尔化学奖得主伯纳德·卢卡斯·费林加（Bernard Lucas Feringa）在“浦江科学大师讲坛”上，以《造“小”的艺术：从分子开关到分子马达》为题，分享了他的科研故事，以及他对于学术与创新的洞见。

从荷兰农场走出的诺奖大师

　　无论科技多么发达，费林加总会怀念童年时代的农场生活。那是他梦想开始的地方——一个美丽的荷兰小乡村。12岁之前，费林加从未离开过那里。他有个很大的家庭，在9个兄弟姐妹中，他排行第二。

　　在费林加记忆里，家乡的一切都是那么新奇有趣。“对年轻人来说，最重要的是要提出问题。”为什么花朵如此美丽？为什么春天作物生长？一个个问题背后，是幼时的费林加对世界的好奇。

　　在农场的阁楼上，费林加拥有了一座小小的化学实验室，这是他在化学王国里的第一块自己的领地。在那里，他亲手合成化合物，观察漂亮的晶体，通向科学的冒险之旅就此启程。

　　“我喜欢分子世界，但是在分子美丽的花园中，我也常常迷路，找不准方向，但是这些让人‘绕圈圈’的问题是最有趣的，它们会带来意想不到的答案，改变我们的世界。”

　　怀着对分子研究的热情，费林加进入格罗宁根大学（University of Groningen）学习。其间，他亲手做出了一个分子。“记得当时我告诉教授我做出了分子，他说，世界上在你之前没有人做出过这个，这个分子是属于你的。”提起这件事，费林加今天依然骄傲，“尽管这个分子并没有什么用处”。

　　至于几十年后能获得诺贝尔奖，是费林加压根没想过的事情。“就像参加奥运会的运动员，不是一天到晚想着拿金牌的。这需要努力训练，还有点运气。”

　　费林加主要研究“分子机器”，这是一种能在分子层面上实现将外部能量输入转化成运动输出的装置。通俗地说，就是由许多不同分子水平部件组装在一起的装置，这些分子部件在外部刺激下，可以像机器一样运动，是一种超分子体系。

　　分子机器就作为在分子层面这种微观尺度上运行的机器，也可以说是世界上最小的机器。与日常生活中我们所使用的、主要基于机械和物理原理的机器不一样，分子机器聚焦于分子研究。未来，分子机器有可能被用于新型传感器、新材料和能量储存系统等前沿领域。

　　“分子开关”是其中一个非常重要的研究成果。

　　什么是开关？能够在0和1两种状态进行转换的分子就是开关。费林加俏皮地眨眨眼：“眼睛就是一种最简单的生物开关。”而分子开关则将0和1的转换带到了纳米级的尺度。

　　费林加相信，分子开关的光敏性与可以对患处实现精准治疗的特点，让它能够在医药行业大显身手。“众所周知，细菌的耐药性是人类的‘定时炸弹’，于是我们生产了能够以光来激活的抗生素，通过光线的照射实现开启和关闭。”

　　他向大家展示了自己的实验，培养皿中的细菌在没有光线的地方可以正常生长，而在有光照的地方无法生存。“这意味着，未来药品会变得更加安全。”

5人，8年，

造出2纳米微型车

　　“我们要以什么样的方式面对未来？”略作停顿后，费林加伸手向前轻轻一握，“迎接未来最好的方式就是‘创造未来’。”

　　因为喜欢发明，费林加做过很多有趣的尝试——荷兰以风车著名，他便想着用分子来搭一座风车，“有底柱、风叶和轴，通过光的驱动，能像真正的风车一样转起来。”甚至造出一整个能放在水平面上的“分子风车公园”。

　　费林加合成的分子马达，则是将宏观意义上的发动机在微观层面进行复现，是分子机器的关键组成部件之一。费林加的课题组通过借鉴DNA这个右手性的螺旋体制造了会旋转的分子马达，且通过模拟人眼中的光分子开关来控制马达速度。课题组还借鉴月亮绕行地球的方式，制造了旋转时永远固定朝向的分子马达；借鉴人类细胞光开关的工作原理，制造了光驱动的分子马达从而构建出柔软的人造“肌肉”。

上图：费林加亲手做出的第一个独属于自己的分子。

　　控制分子马达运动最重要的问题是什么？“那就是控制马达的旋转，包括速度和方向。”费林加研制的第一个分子马达，一小时只能转一圈，“可不能把这个马达安在车上，太慢了”，而最新的分子马达一秒钟可以旋转1000万圈，这是个惊人的进步。

　　实际上，“用分子制造机器”这一想法早已有之。早在1959年，物理学家理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）就谈到过“在小范围内操纵和控制事物”的问题，其中“小范围”指的就是由一个或几个分子所组成的机器。

　　二十年后，纳米技术先驱埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）偶然发现了费曼关于机器讲座的抄本。他在费曼设想的基础上做出了进一步发展，于1981年发表了一篇名为《分子工程》的论文。在文章中，德雷克斯勒提出了通过分子大小的机器在原子尺度上操纵化学过程甚至构建新材料的设想。

　　再后来，便是三位诺奖得主的工作。首先，索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）教授成功合成了一种名为索烃（catenane）的两个互扣的环状分子，这两个分子能够相对移动；随后，斯托达特（Sir J. Fraser Stoddart）教授合成了轮烷（rotaxane），即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上，且环状分子能围绕这个轴上下移动，并成功实现了上升高度达0.7纳米的“分子电梯”和可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”；最后，费林加教授设计并合成分子马达。有了这三种关键部件，分子机器的概念才得以完全构建起来。

　　对于化学特别是有机化学领域的科研工作者来说，其重要使命就是合成这个世界上不存在的新分子结构，实现新材料功能，同时提供新的科学见解。

　　费林加说，今天我们深入微观世界，研究“小”的艺术，便是在另一种时空尺度上迎接新的机遇与挑战。

　　首先，“小”是一切“大”的基础。研究肉眼不可见的微小之物，有助于我们理解世界的运行规律——这不仅仅是科学家出于好奇心的探索，也是人类追寻世界本源、拓宽认知边界的重要一步。

　　其次，“小”本身也有独特价值。对“小”的研究可以重塑我们的生活方式。生活在上个世纪的人大概无论如何也想象不到，今天的我们可以把曾经塞满整个房间的电脑捧在手上。正是由于几十年来科学家们不断缩小晶体管尺寸的努力，才有了人类今天交流与获取信息的便捷。

　　由此可见，如果将机器做到分子尺度，也可能给人类社会带来革命性的改变。当然，建造分子机器所面临的问题与上述领域并不相同——它是化学和物理学科的重大挑战，主要集中于合成化学、分子组装与纳米技术等方面。

　　费林加设计并合成了一个能定向旋转的分子马达（molecular motor），这个马达可以带动一个比它本身大1万倍的玻璃棒（28微米长）旋转起来，从而完成了分子机器领域研究的关键一环。“一旦在分子层面控制了运动，就为控制其他各种形式的运动提供了可能。这一研究成果为未来新材料的研发开启了广阔前景。”他说。

　　目前，这些技术已经用于抗癌新药上，比如，通过光开关来控制抗癌药物的作用，当人体照射红外线时，药物的作用开关就会开启。“未来，我们甚至可以把带有分子马达的纳米机器人注入到人体内，清晰地观测到某个细胞的问题。到那时候，也许只需晒晒太阳，就可以让分子机器把药物精准地递送到那些问题细胞。”

　　费林加坦言，这些虽然现在听起来还很科幻，但在未来完全可以实现。“基础研究的关键是，我们每个人都必须走出自己的地平线，做出新的发现和创新，向自然寻求灵感。”

　　通过耦合分子马达，费林加团队还研制出四轮“分子车”。在这辆大小仅有2纳米超微型的车上，分子马达的旋转的力转化成为平移的力，世界上最小的车就这样开动了。

　　为了造出这辆微型纳米车，费林加和4个学生花了足足8年时间。一开始他们造出来的四轮纳米车，所有轮子往一个方向旋转，车子只能原地打转不能前进。团队花了3年纠正错误。

　　但费林加不怕犯错，也建议大家千万不要害怕犯错。

　　“科学研究中，所有的门路都要自己摸索，到底哪里走得通一开始谁都不知道，所以你必须允许犯错，并会从错误中学到知识。”

上图：在这辆大小仅有2纳米超微型的车上，分子马达的旋转的力转化成为平移的力，世界上最小的车就这样开动了。

学习，永远在路上

　　分子马达、纳米车、分子机器……对于很多人来说，费林加做的研究听上去像是科幻片，距离日常生活依然遥远。

　　事实上，基础研究到现实应用从不会一蹴而就。费林加最为头疼的问题之一，就是经常被问“你的研究有什么用”。

　　“现在的分子马达，相当于19世纪30年代的电动马达，那时的研究者仅仅在实验室里展示各式各样的旋转曲柄和动轮，丝毫不知这些东西将导致洗衣机、风扇的诞生。”费林加相信，通过不同学科的协力与合作，能铺就未来发展之路。

　　费林加畅想，现在，分子马达和分子车已经可以做出旋转、平移、推动这样精彩的运动，50年后，它们或许会迎来实质性应用，那时将做得更多、更好。

　　比如在医疗领域，分子机器可以进入人体精准靶向递送药物，为癌症治疗提供助力；在材料领域，分子机器可以制造能够进行自清洁和自修复的材料；在计算机领域，分子机器可以成为信息的存储单元……

　　“怎样创造未来、解决人类现有困境？分子纳米技术可以提供一种路径，其他学科也有自己的路径，但最重要的是我们要将智慧和努力结合起来。”费林加的团队和合作对象中包括许多不同国家、不同专业的学者，他也正通过学习，与不同学科对话交流，激发更多研究灵感。“科学的旅程是一场冒险，对于年轻人来说，保持好奇、勇于探索是最重要的。”

　　对于青年学子，费林加总不吝给予最热情的鼓励，同时不忘建议，学术研究行稳致远的诀窍，需要“两条腿”走路，而不能“单脚跳”——一方面，致力创新突破，争取得出开创性成果；另一方面，也要在自己熟悉的领域做些研究，为自己积攒学术声誉，提高学术能力。“这样一来，即使遇到失败也有缓冲的余地。”

　　“有人说，你得了诺贝尔奖，不需要再学习了。”

　　费林加则表示：“不是的，当我们想要制造智能药品（smart medicine），就要和生物学家、临床医生合作，我需要了解他们的知识。我们相互学习、相互欣赏，这极其重要。”

上图：费林加的科研团队汇集了13个国家和地区的学生。

　　正如几年前，他专门买了本细胞学的书，1200页，像个大一新生一样从头学起，一步步理解并实践着偶像达·芬奇在150年前说的那句名言——“当自然完成了对它的物种的生产的时候，人类就要开始在自然的帮助下创造无限的种族和物种。”

　　从大学毕业后，费林加在产业界工作了一段时间，后来又回到大学任教。他说，自己一直记得自己的导师汉斯·温伯格的名言：“希望每一个孩子在他的一生中，都有一个能让他变得与众不同的好老师。”所以，他也乐于和不同年龄段的学子保持密切的交流。“教育不应该是重复，而应该让学生通过做各种丰富的实验、在实践中学习，让学生在对世界的探索中学习。”

　　“未来需要靠年轻人来创造，我花时间和青少年交流，不是为了现在，而是为了未来——为了他们能在将来更好地塑造这个世界。”费林加说。记者｜陈冰（殷梦昊、张菲垭、刘栩含对本文亦有贡献）

链接：什么是分子机器？

　　分子机器是一种能在分子层面上实现将外部能量输入转化成运动输出的装置。通俗地说，就是由许多不同分子水平部件组装在一起的装置，这些分子部件在外部刺激下，可以像机器一样运动，是一种超分子体系。
　　分子机器作为在分子层面这种微观尺度上运行的机器，也可以说是世界上最小的机器。与日常生活中我们所使用的、主要基于机械和物理原理的机器不一样，分子机器聚焦于分子研究。未来，分子机器有可能被用于新型传感器、新材料和能量储存系统等前沿领域。

院士小传

伯纳德·卢卡斯·费林加

1951年出生于荷兰，有机化学家，主要从事分子机器与有机不对称催化等领域的研究。2016年的诺贝尔化学奖颁给了包括费林加教授在内的三位科研人员，以表彰他们在分子机器领域做出的贡献。其中，费林加教授设计并合成了一个能定向旋转的分子马达，完成了分子机器领域研究的关键一环，从而引发“分子革命”，将化学研究推向了一个新维度。

目前，费林加是范特霍夫分子科学名誉教授，荷兰皇家科学院院士、欧洲科学院院士、美国国家科学院院士、美国人文与科学院外籍院士、中国科学院外籍院士。