環(huán)球快播：化學(xué)上的突破提供了對(duì)原子鍵的空前控制

(資料圖)

分子是由多個(gè)原子組成的，是這些原子的性質(zhì)和排列的產(chǎn)物。我們呼吸的氧氣分子具有相同的原子重復(fù)類型，而糖分子是由碳、氧和氫組成。

科學(xué)家們一直在追求一種叫做"選擇性化學(xué)"的東西，目的是在原子之間形成他們想要的化學(xué)鍵的類型。這樣做可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的分子和設(shè)備的產(chǎn)生，可以為特定的任務(wù)而設(shè)計(jì)。

這些所謂的分子機(jī)器是2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的焦點(diǎn)，荷蘭科學(xué)家本·費(fèi)林加因創(chuàng)造了一輛由分子馬達(dá)以每秒1200萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的“分子汽車”而獲得認(rèn)可。我們還看到科學(xué)家們創(chuàng)造了分子泵、微小的齒輪和分子潛艇來瞄準(zhǔn)癌細(xì)胞，這只是幾個(gè)例子。

組裝這些類型的微小機(jī)器是一項(xiàng)精細(xì)的工作，這項(xiàng)新研究的作者將其比作“將樂高積木放入洗衣機(jī)，并希望這五百萬個(gè)分子以某種方式最終將自己組裝成所需產(chǎn)品”。他們的新工作旨在減少對(duì)運(yùn)氣的依賴，而更多地依靠對(duì)化學(xué)鍵的有目的的控制。

研究的重點(diǎn)是被稱為結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的分子，它們具有相同的原子組成，但這些原子之間的化學(xué)鍵排列不同。通過使用掃描探針顯微鏡的尖端施加不同的電壓脈沖，研究小組表明，他們可以有選擇地重新排列化學(xué)鍵。例如，一個(gè)中間有一個(gè)十元碳環(huán)的分子能夠轉(zhuǎn)化為一個(gè)有四元和八元碳環(huán)的分子，或者一個(gè)中間有兩個(gè)六元碳環(huán)的分子。

這些反應(yīng)也是可逆的，這意味著研究小組可以隨意打破和形成不同的鍵，并基本上以可控的方式在分子結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種形式的"選擇性化學(xué)"被該團(tuán)隊(duì)描述為史無前例。

“這是第一次，”IBM研究部科學(xué)家和高級(jí)研究作者Leo Gross向New Atlas解釋說。“這是第一次有選擇性地在一個(gè)分子中形成不同的鍵。通過施加在中間的分子上的電壓脈沖的大小，我們可以選擇是否要?jiǎng)?chuàng)建右邊的分子或左邊的分子（見下圖）。”

對(duì)于分子機(jī)械來說，現(xiàn)在還處于早期階段，但是能夠?qū)@些類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精細(xì)控制的技術(shù)可以大大幫助它們的發(fā)展。

Gross表示：“分子機(jī)器可能執(zhí)行的任務(wù)包括分子或納米顆粒的運(yùn)輸、納米結(jié)構(gòu)的制造和操縱以及促進(jìn)化學(xué)轉(zhuǎn)化。未來的應(yīng)用可能與單電子分子設(shè)備、納米機(jī)電系統(tǒng)、化學(xué)合成和藥物輸送有關(guān)。”

該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。