納米冰箱離你家遠嗎？

今年諾貝爾化學獎給了“分子機器的設計與合成”的三位歐洲籍科學家。他們是：法國化學家讓-皮埃爾-索維奇，1944年生於法國巴黎，法國斯特拉斯堡大學名譽教授；英國化學家J-弗雷澤-斯托達特爵士，1942年生於英國蘇格蘭愛丁堡，供職於美國西北大學；荷蘭化學家伯納德-L-費林加，1951年生於荷蘭，格羅寧根大學教授。

這三位科學家發明了“全世界最小的機器”，將分子合成在一起，使其成為極微小的電機和傳動裝置，這些機器比一根頭髮絲(一微米)的1000分之一還要細。分子機器，指由分子尺度的物質構成、能行使某種功能的機器，其構件主要是蛋白質等生物分子。因其尺寸多為納米級，又稱生物納米機器，具有小尺寸、多樣性、分子柔性、自適應、僅依靠化學能或熱能驅動、分子調劑等其他人造機器難以比擬的性能，因此研究生物納米機器具有重大意義。將自動化裝配降低到如此小的尺寸，顯然會給所有的生產製造部門帶來強大的衝擊。

今年諾貝爾獎的研究了什麼？
讓-皮埃爾-索維奇早在1983年就邁出了分子機器的第一步。當時他成功將環狀分子連接成鏈，名為索烴。一般來說，分子有強大的共價鍵連起來，原子在共價鍵共享電子，但是在鏈條中，分子則被更加自由的機器紐帶連接在一起。一架能夠執行任務的機器必須包含可以相對移動的部分。這兩個交叉連結的環正好滿足了這個條件。
1991年，斯托達特爵士進行了第二步。他分解出了輪烷。他將分子環纏繞在很細的分子軸上，表明分子環可以沿着分子軸移動。他的實驗基於輪狀化合物，包括分子起重機、分子肌和分子級別的電腦芯片。

伯納德-L-費林是第一個做出了分子馬達的人。1999年，他得到了一個可以沿着一個方向持續旋轉的分子馬達葉片。他可以用分子馬達旋轉一個玻璃量筒，這個量筒是分子馬達的1萬倍大。他還設計了一個納米汽車。

2016年的諾貝爾化學獎獲得者們將分子體系帶出了平衡的僵局，帶進了充滿能量的狀態，在這個狀態中分子的運動可以被控制。發展方面，分子馬達所處的階段和19世紀30年代的電動機一樣。當時科學家展示了各種旋轉的曲柄和輪子，但沒意識到它們可以引領電氣列車、洗衣機、食品加工器。分子機器最有可能應用在新材料、傳感器和儲能系統的發展中。

 這三位獲獎者與中國化學界的學術交流是很多的，他們都曾多次訪問中科院上海有機所、復旦大學等科研機構和高校。2014年在上海舉辦的國際大環和超分子化學學術會議上，斯托達特爵士是大會報告人之一，他還是天津大學中組部外籍千人，有獨立的實驗室開展研究。斯托達特和費林加都培養了很多中國留學生。

“分子機器”究竟離我們有多遙遠？
據估計，到2020年，你只要通過網絡購買一份個人電腦"配方"，然後將可塑性導電分子插入你的"納米盒"中，該設備就會按 配方造出一台你所需要的電腦。 

美國國防部資助的一個研究中心Mitre公司的艾倫博根認為，人們可以使硬件軟件化，因此，利用因特網將不僅可以下載軟件，而且還可以下載硬件。 

艾倫博根就硬件軟件化的設想，舉了一個很實際的例子。"今天，當你下載軟件時，仔細思考一下所發生的過程，其實你不過是在通過改變分子簇的磁性，從而重排磁盤上的物質結構！"如果計算機內置比那些分子簇還要小，就可以重排磁盤上的分子來製造芯片。

新的磁盤驅動器將用來複製一些下載的硬件。斯坦福大學的夸特和康奈爾大學的馬夫德爾領導的兩個研究小組正在進行相關工作，利用隧道掃描電鏡的探針或相關的工具來移動原子。1990年，美國加州IBM研究中心的物理學家艾格勒首次成功地在鎳片上利用35個氙原子 拼出了"IBM"三個字母。

如此小的計算機將會非常便宜，因而它們將到處可見。這種微型計算機可以提醒洗衣機當前的水溫是多少；當你的鞋中裝有這種微型計算機時，你的汽車就會知道你正在走近它，從而調整座位、鏡子並打開車門，預防車禍。 

硬件軟件化的關鍵技術是納米盒，一種將納米製作技術與今天所謂的桌面製作法結合起來的複製機器，可快速複製新產品。如果你需要一部移動電話，可以通過網絡購買一個配方，它會告訴你在"調色"箱中插入一塊塑片，並噴入導電分子。納米盒將反覆掃描塑片，記下分子的圖案。這種微型裝置要到2020年左右才會問世，估計也許過於樂觀。因為十五年前預計，首次從網絡上實現下載納米電腦線路的實驗，估計也得等到2005年之後(可惜至今還未實現)。 

讓我們再次回到Mitre公司。1999年8月中旬，艾倫博根所在的研究小組成功設計了一種可以幫助裝配納米製造系統的微型機器人。目前，這種微型機器人一邊長約5毫米，即1/6英寸。設想這些機器人利用納米技術進一步製造比它們自己更小的機 器人，那麼最終的機器人將會比塵埃還要小。 

如此之小的機器人，將會實現德雷克斯勒關於操縱單個原子的納米機器人的幻想。實質上，德雷克斯勒開創了納米技術時代，並提出了許多富有靈感的想法，如納米機器人漫遊在地毯、架子上，將塵埃拆分為原子，然後將其重新組合為餐巾、肥皂或其它任何物體--包括納米計算機。 

雖然利用一個個原子來製造計算機目前還是一個遙遠的夢想，但是艾倫博根卻持樂觀態度，他認為很快會有結果："我可以打賭，分子電子學將會實現這個近期目標。" 

最近二十年化學家則想在實驗室里用合成的小分子來模擬一些生物大分子機器或者宏觀機器的功能，被稱為人工分子機器（Artificial molecular machine）。2016年諾貝爾化學獎科學家們使得分子運動具有可控制性，只要加入能量，就能執行任務。分子機器是一個小型升降機、人造肌肉和體型極小的馬達。計算的發展為我們展示了技術的微型化將帶來怎樣的革新。化學獎得主使機器變得微型，並為化學這一領域開闢新的前進道路。

納米與人類生活的關係：
例如，在洗衣機的某些部件上加一超細顆粒的塗層，可以保護零部件，延長機器的使用壽命。可就是具有這種性能的洗衣機被某些商家宣傳成了“超強除菌的納米洗衣機”。只問這洗衣機所具有的超強除菌功效有什麼評判標準呢？還有，所謂的納米冰箱，只不過是往製作材料里添加了一些氧化鈦細粒，從而產生一定的抗菌性能，而到了商家的嘴裡，那是不負責任的廣告。

經常聽說某納米服裝可以保暖、防水、防油。那背後暗藏着什麼玄機呢？其實，商家只是將達到納米尺寸的粉體分散進高分子黏結液，再把面料浸入其中，經過一定的溫度和時間達到乾燥和韌化，而製成干凝膠膜。其實，這並非只在納米時代才能做到，商家們將其描述得高不可攀，讓人們覺得它很神秘。至於“納米內衣”和“納米水杯”宣稱能殺菌、治病，就更無科學依據可言了。

還有市場上的護膚液、粉底液、日霜、晚霜、洗面乳，等等，宣傳中喊着“傳承國際高尖端科學的納米技術保您容顏不老”，甚至某國際知名品牌竟稱其某產品因為有了納米原維生素，而能產生立竿見影的美容效果。 

納米醫學是什麼，對人類影響大嗎？
分子機器人如果能夠在生物體內自動生成，人類的健康生存和自動化將會出現革命性變革。其最初的應用似乎應是以醫療等領域為中心。比如針對病毒的分子機器人，也許可以通過研發分子鉗予只能與特定的病毒相結合併且殺死它們。而且，可以利用分子鉗那樣的分子機器人，向癌腫部位集中送達藥劑等。這樣的生物技術藥物可能會很快地代替現有藥物，為人類創造更好的福音。

分子機器的動力來源主要有化學驅動、電驅動和光驅動。比如ATP合成酶轉子是由於質子的流動而旋轉，這屬於化學驅動；索烴是由於銅離子電子的得失而行使其功能，屬於電驅動；而分子蠕蟲的“前進”是光照引起了偶氮分子構象的改變引起的，這屬於光驅動。

現在，正有科學家試圖把如此重要的機械在分子尺寸上組裝起來，製造一種極其微小的裝置來操控別的分子，運用於醫學可以用來清除肌體深處的病毒、癌細胞等，它們具有不可限量的應用前景。在100納米尺寸內製造芯片，其費用目前相當昂貴。同理，用克隆細胞體外生長可以產生肉食，但是十分昂貴，還沒有實用價值。只有生產成本降低後，個頭只有分子大小的神奇分子機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。

人體每一個細胞都是一個活生生的納米技術應用的實例。因為構成細胞的物質一般都在納米量級水平。如果把細胞中的細胞器和其它的結構單元看作是執行某種功能的“納米機械”，那麼，細胞就象一個個“納米車間”。納米醫學的研究內容十分廣泛，凡是與人類生理、病理和醫療有關的內容它都涉及。目前已經用於人體多種正常組織和細胞的納米級的形態學觀察，如紅細胞，以獲得最佳的真實圖象。

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1。 基礎醫學領域

（1） 在分子、原子水平對物質進行直接觀察，生物學上對DNA、蛋白質進行形態分析。SPM一問世,生物醫學領域就迅速應用於分子結構的觀察。目前應用SPM不僅可以描繪出氨基酸分子中碳、氫原子的關係,而且已經直接觀察到DNA鏈螺旋重複等。

（2） 直觀下的分子剪輯、DNA特殊位點的定位等高水平研究。如對抗體結構的觀察，發現了小球形結構,這種小球結構可能正是抗體的功能區。這對揭示免疫反應機理的實質又提供了獨特的方便之門。還有對細胞膜、質膜的觀察等都已處在一個個層出不窮的新發現之中。

（3） 細胞的一系列分子生物學研究（膜、離子通道、受體、基因、細胞因子等），提高醫學基礎科研水平，為臨床發展提供動力和線索。

2 臨床醫學領域

主要致力於診斷和治療兩個方面的應用上。

（1） 疾病診斷治療上的初試

在疾病診斷領域，使用納米技術的新型診斷儀器，只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質和DNA（脫氧核糖核酸）診斷出各種疾病。在膜技術方面，用納米材料製成獨特的納米膜，能過濾、篩去製劑的有害成分。在抗癌的治療手段方面，將一些極其細小的氧化鐵納米顆粒，注入患者的癌瘤里，然後將患者置於可變的磁場中，使患者癌瘤里的氧化鐵納米顆粒升溫到45～47攝氏度燒毀癌瘤細胞，健康組織不會受到傷害。

（2） 在疾病的治療方面

A 組裝新的DNA：基因治療所面臨的最大挑戰是：首先要使質粒DNA分布於特定的細胞器----細胞核內，最後還要使其插入特定的DNA位點。利用納米技術，可使DNA通過主動靶向作用定位於細胞；將DNA濃縮至50-200nm大小且帶上負電荷，

B 開發納米機器人：紐約大學的一個實驗室最近製造了一個納米級機器人，研究人員認為，將來，納米級機器人可遨遊於人體微觀世界，隨時清除人體中的一切有害物質，使人不僅僅保持健康，而且延長壽命。

C 尋找生物兼容物質：在人工器官移植領域，只要在人工器官外面塗上納米粒子，就可預防人工器官移植的排異反應。

D 開拓新藥： 數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體後，可主動搜索並攻擊癌細胞或修補損傷組織。從最近召開的我國首屆納米生物醫藥研討會獲悉，我國已成功地研製出納米級的新一代抗菌藥物。這種粉末狀的納米顆粒直徑只有25納米，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病微生物有強烈的抑制和殺滅作用，還具有廣譜、親水、環保等多種性能，並因使用天然礦物質而不會產生耐藥性。

納米技術是一項劃時代和革命性的技術。目前，對納米技術的研究還剛剛起步，而在已經形成的產品，納米技術已經發揮出了神奇的力量。但是，實際應用尚有一段時間。預計在今後二三十年中，納米技術將一直是科技領域最熱的課題，納米醫學的新成果不斷呈現在我們的面前。10年以後，也許器官移植會受益匪淺，自己也許可以去商店購買納米合成的器官，自己安置身體上。