文／非是藉秋风
最近，诺贝尔奖各个奖项陆续公布。我认为，在诸多奖项中，按照重要性排名，前三名依次是：物理学奖、化学奖、经济学奖。
更早公布的物理学奖，我已撰文《两分钟了解:2016诺贝尔物理学奖》做了介绍。
昨天傍晚，化学奖结果也出炉了。获奖的三位科学家：
※让—皮埃尔•绍瓦热
法国斯特拉斯堡大学教授，今年72岁。
※弗雷泽•斯托达特
美国西北大学教授，今年74岁。
※贝尔纳德•费林加
荷兰格罗宁根大学教授，今年65岁。
获奖原因：
三位科学家造出了世界上最小的机器：纳米尺度的“分子机器”。
首先要弄清楚一个问题。
在《我的梅岭路》一文中，我曾经说过下面的话：
“当宏观的世界血流成河的时候，原子分子的世界却安然无事。当原子分子世界发生一丁点变化的时候，宏观世界早已灰飞烟灭...”
人类无法直接感知分子尺度的世界，那我们怎么知道分子的存在呢？
１.
分子到底存不存在？
虽然对今天的人们来说，分子的存在已经确定无疑了。但是直到19世纪末，分子仅仅只是一种假设。一些显赫的科学家，包括奥斯特瓦尔德、马赫等，都怀疑分子的真实性。
只有搞清楚这个问题，我们才有资格讨论关于分子的其它事情。
２.
是谁证明了分子的存在？
两个人：爱因斯坦和佩兰
３.
如何证明分子的存在？
※爱因斯坦提出理论
大家知道，在显微镜下观测到的液体中的微小颗粒的杂乱和毫无规则的运动，即所谓的布朗运动，是由溶剂分子的碰撞所导致的。
在前人研究的基础上，爱因斯坦提出，从不同方向撞击微米大小的粒子，可以使该粒子运动，并且可以显著到在显微镜下可观测的程度。
粒子在液体中做扩散运动，如果在一段时间内跟随其运动，它将到达与开始时不同的地方。
爱因斯坦计算了这一平均位移随时间变化的规律：布朗运动粒子的平均位移同观测时间的平方根成正比。
爱因斯坦根据粒子克服重力保持悬浮状态的垂直分布，提出了测定分子大小的方法。
如果该理论能被实验定量地验证，那么，分子必然是真实存在的。
※佩兰实验证实
法国科学家佩兰接受了这一挑战，设计并成功地完成了实验，最终确认了爱因斯坦理论预测的正确性。
佩兰测量了布朗运动悬浮粒子在垂直方向的分布，发现悬浮粒子的数目随高度增加而指数地减少，这与爱因斯坦的预言一致。
并且，验证了布朗运动粒子的平均位移同观测时间的平方根成正比的正确性。
佩兰还从悬浮粒子垂直密度分布的实验测定，准确地计算出分子的大小。
人类第一次证明了分子的存在。
并且我们知道了，分子的大小在“纳米”的量级。想象一下，把1米分成10亿份，取出其中一份，就是分子的大小。
分子机器
机器的特征是：由一些部件装置组成；需要输入能量，并消耗能量；可以运转、做功、完成任务。
毫无疑问，“分子机器”也必须满足上述要求。
１.
组成部件
可以用更小的分子、原子组装成分子机器。
目前，研究人员已经设计并制造出了分子开关、分子棘轮、分子马达、分子连杆、分子环和分子推进器等大量分子机器部件。
２.
动力来源
三种：化学驱动、电驱动和光驱动。
※化学驱动
例如
ATP合成酶转子是由于质子的流动而旋转。在合成ATP过程中，分子内部形成相对旋转的“定子”和“转子”，“转子”在氢离子流推动下旋转。
※电驱动
例如
索烃里面的环可以互相转动。对于一个通过大环金属配位生成的索烃来说，移除和再加入金属离子，比如铜离子，通过铜离子电子的得失就可以控制环移动。
※光驱动
例如
在光照能量的补充下，有多个构像的分子可以在不同能量状态的构象之间来回转换，从而形成前进的动力。
３.
如何制造
三位科学家的工作，承上启下：
首先
让-皮埃尔·绍瓦热是分子机器的先驱，他将两个环状分子连成链状，并将其命名为“索烃”。
索烃的意思是由联索环组成的分子，锁的环不能够分开，最重要的是环之间可以互相转动。
接着
斯托达特合成了“轮烷”，即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上，最重要的是环状分子能围绕这个轴上下移动。
最终
费林加设计出了在构造上能向一个特定方向旋转的分子马达，这个马达可以让一个比马达本身大1万倍的东西旋转起来。
三位科学家共同的努力，使“分子机器”成功诞生。
一个例子：纳米车
原理
两端的分子可以旋转，作为车轮，中间的链状分子相对固定，作为车架。
在外部输入的电子跃迁到两端的分子后，促使两端分子转动，从而使整个装置向前运动。
展望
分子机器将成为化学和材料设计领域的重要部分。这项技术也被用于设计医疗“微型机器人”，可用于在人体细胞内清除病灶、向癌肿部位集中送达药剂等及形成分子阀门等。
在不久的将来，个头只有纳米大小的分子机器人将源源不断地进入人类的日常生活。
非是藉秋风曰
优秀的科学家都非常孤独，他们走在人类知识的最前沿，没有事物可供参考，在绝大多数人根本没有想到的时候，他们已经出发、行动、并且已经成功。三位获奖的科学家，在其他人完全不知道能用分子组装机器的时候，就已经一步一步造出了“分子机器”。从某种意义上说，这就是“先知”。
人类虽然永远无法直接感觉到分子，但是可以通过逻辑、计算和实验来证明分子的存在；并且可以指挥微观世界来为宏观世界服务。其实，这离“造物主”已经不远了。
———且待下回分解———
在下非是藉秋风。
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