分子機器新材料實現從微觀動態到宏觀形變

近日，中國科學院高能物理所研究團隊成功研制出一種錒系分子機器相關材料，首次實現了分子機器的宏觀形變，并且通過控制紫外線照射時間就能夠實現對材料變形曲度的精準控制。相關研究成果在線發表于國際期刊《自然-通訊》。

起點：有望引發新技術革命的“分子機器”

“分子機器”是一種分子級別的微縮型機器。它由分子尺度的結構單元構成，能夠在外界能量驅動下能行使某種特定功能。在生物世界里，分子機器并不稀奇，比方說，細胞就類似一個微型工廠，其中的各種蛋白酶就是分子機器，它們具備轉運物質的功能。

長久以來，面對神奇的自然生命，科學家們一直在思考一個問題：“有沒有可能以化學的方式，人為地制造出分子機器？”2016年，諾貝爾化學獎授予了三位超分子化學家，以表彰他們“發明了行動可控、在給予能源后可執行任務的分子機器”。

“第一次工業革命后，機器逐漸幫人類承擔不少繁重的體力勞動，也從根本上改變了人類社會的生產方式和發展進程。我們希望通過化學方法實現對分子機器的精確構建，引來材料和信息技術的新一輪變革。”論文通訊作者、中國科學院高能物理研究所青年研究員梅雷告訴《中國科學報》。

近年來，分子機器研究已經取得了較大進展，科研人員對分子運動的操控也達到了前所未有的新高度，但是這種“控制”大多是在單個分子機器上實現的。

“目前分子機器離實際應用尚有距離，要想走向實用，關鍵在于實現分子機器的器件化與集成化，而其中一個極具挑戰性的科學問題是‘如何實現分子機器在群體層面的協同和宏觀機械響應’。”梅雷說。

歷程：從宏觀到微觀再到宏觀

論文通訊作者、中國科學院高能物理研究所研究員石偉群告訴《中國科學報》，這一成果做了三年，最初源于一次偶然的發現。

2018年底，研究人員原本在研究溶液中錒系超分子體系的動態響應行為，然而，當他們用光照射到錒系-有機輪烷配合物的晶體上時，他們意外地發現，晶體有輕微的變形。“就像個向日葵一樣，配合物中的分子機器們會跟著光發生變化。”梅雷說。

“一開始我們覺得這是一個偶然的現象，后來我們討論了一下，決定把光照和變形的定量關系做出來。”石偉群說。

定量關系的結果讓他們非常興奮。他們初步推斷，分子機器在光照的作用下，正在進行有規律的協同運動。

“分子機器研究一直以來的一個難點，就是讓分子機器群體中每一個結構單元步調一致。讓分子機器運動是很容易實現，但要把它變成一個群體，讓每一個分子都很聽話，并產生一個宏觀效應，那就不容易實現了。”梅雷說。

觀察到分子機器協同一致的現象之后，研究人員一頭“鉆”進微觀世界，開始研究這一現象到底是如何發生的，并根據總結出的分子機器微觀原理構建出了一例“新型光活性錒系聚輪烷材料”。

“我們在前期錒系-有機輪烷配合物研究的基礎上，首次將具有光二聚活性的葫蘆脲主客體體系引入到鈾酰-輪烷結構中，成功構筑了一例新型光活性錒系聚輪烷材料，并實現了該材料在紫外光照射下的可控宏觀力學響應。”梅雷說。

目標：高靈敏度的光制動器

今年年初，他們將這一發現寫成論文，投給了《自然-通訊》。在論文中，他們不僅展現了新型材料的設計方法，描述出分子的宏觀響應效果，還對現象背后的分子機制進行了闡述。

“論文投出去之后一個月就返回了審稿意見，只有一些小的修改。從投稿到被錄用，中間歷時兩個月。”梅雷說。

在審稿意見中，匿名評審人說：“這是一項高水平的實驗，作者對實驗結果的解釋值得贊揚。”另一名匿名評審則說：“通過調整光照時間就可以實現對彎曲變形的精確控制，這很有趣。”

未來，研究人員還有更遠的目標。“我們想根據新發現的分子機器的機制原理，建構出更多的材料體系。未來，我們的目標是把分子機器做成一個光制動器。那將會是一種具有高靈敏度和耐用性的新材料。”梅雷說。

相關論文鏈接：