有一场很小很小的“汽车”比赛落幕,它能进行,已经说明技术有多迷人_智能_好奇心日报

黎方宇2017-05-09 07:42:30

科学家们像阿基里斯,走一步只有不到 1 纳米。

世界上最小的“汽车”比赛上月底在法国图卢兹落幕,来自世界各地的六支队伍在纯金制成的赛道上角逐胜负,其中只有一辆跑完了全程。

这是由法国国家科学研究中心(CNRS)举办的首届 Nanocar Race(纳米车赛),各支队伍把分子改装成驰骋的“机器”,参与到这场“锱铢必较”的国际挑战当中,并在 36 小时内跑完 100 纳米。对分子车来说这个距离并不算远,但它们毕竟没有发动机,也没有线粒体。

六支队伍中有两支并列冠军。来自 CNRS

比赛背后的技术含量不容小觑

参赛的纳米车都是单个分子,赛道更是比头发丝还细,想要肉眼看到赛场上的紧张情况是不可能的事情。比赛的转播靠的是 CNRS 独特的四探针显微镜,这是世界上唯一一台允许四名实验人员同时操作的显微镜。四个探针不仅有观测任务在身,还要给分子车施加光电脉冲,提供前进动力。但比赛规定,参赛队伍不能用探针直接接触到分子车。

比赛用到的四探针显微镜。©Cyril FRESILLON / CEMES / CNRS

赛前的准备历日旷久。这场比赛原本是 CNRS 高级研究员 Christian Joachim 和图卢兹第三大学教授 Gwénaël Rapenne 2013 年在一篇论文中的设想。历经四年的筹备,与选择普适的比赛场地、调节显微镜等挑战,比赛于 4 月 28 日在一片金箔上拉开了帷幕。

而对于参赛者而言,他们面临的困难更多:怎么把分子车放上轨道?怎么在显微镜下看到一个分子?车子会不会动?是用滑的还是用滚的?车卡在轨道的凹陷中怎么办?会不会有什么不确定的事情发生?当然,未知的情况总是意味着新鲜的发现,这反而令科学家们感到兴奋。

比如,俄亥俄山猫纳米马车队在赛前发现,用于参赛的几辆分子车当中,有一辆分子车四个轮子中的一个竟然掉了下来,车子因此没办法前进。研究人员很想看看真的让这辆车参赛的话,在针锋相对的赛场上会发生什么,但即便不能参赛,这辆三轮车为什么不动也能够解决上面提到的一些疑惑。

比赛时间为 36 个小时,赛程包括两次定向转弯和一次冲刺,并且禁止冲撞别的车。由于位于图卢兹的赛道只能容纳四辆分子车,六支队伍中的两支——俄亥俄山猫队美国-奥地利纳米大奖赛队——被允许在自己实验室显微镜下的轨道上参赛,但车手需要在图卢兹远程操作。

比赛很早就定下了胜负

比赛过程中,六支队伍对着电脑屏幕各自操作显微镜的探针,用光电脉冲射击分子车。首先,车手要清理赛道,并让赛车就位——这一过程就花了 6 个小时。然后,队伍在屏幕上找到他们的分子车,用探针瞄准发射脉冲推进,并且不能让探针碰到纳米车。一次脉冲可以令小车前进 0.3 纳米,所以整个过程需要发射数百次脉冲。

而分子车接受电子之后,要么能量增加,开始震动或是改变结构,通过形状的改变颠簸前行;要么受到静电排斥,被静电作用力推着向前行驶。

比赛场地是显微镜上方数层楼的一个普通的房间。

比赛开始后,来自莱斯大学的美国-奥地利队的赛车“偶极竞速者”一马当先,约一个半小时就结束了比赛,时速达到了每小时 95 纳米。这里并没有计算错误,因为美国-奥地利队车速很快,他们特别向主办方申请将起跑线提前了 50 纳米。此外,队伍还获得批准使用了银制的赛道,这种赛道对分子车有表面吸附作用,会降低车速。因为测试中在金赛道上车速太快,团队甚至无法捕捉到小车的前进。

美国-奥地利队用了两辆分子车同时比赛,都在 2 小时内跑完全程。

但组织者 Christian Joachim 告诉 NPR,“偶极竞速者”的分子结构在金赛道上不够稳定,这才是更换赛道的原因。基于这个考虑,主办方把金赛道上的第一名——瑞士巴塞尔大学的瑞士队的“瑞士纳米改装车”列为并列冠军,后者在约 5 小时内完成了 133 纳米的里程。

参赛队伍密切关注屏幕上的赛况。

其它四支队伍则表现出重在参与的气度。其中两辆分子车成功值回票价——法国纳米车俱乐部队的“绿色婴儿车”和日本国家材料科学研究所材研魔力队的“材研魔力车”因为结构太臃肿,几乎没怎么动。另外两辆赛车——俄亥俄山猫和德国纳米风车公司队的“风车”也没有在规定时间内跑完全程,分别只跑了 45 和 11 纳米。

分子车的结构是胜负的关键

英国南安普顿大学研究分子机器的化学家 Steve Goldup 没有参加这次比赛,他提出了偶极竞速者获胜的关键:队伍在分子量最小的情况下,让分子的极性最大,这样可以最大限度地利用电脉冲产生的力。

偶极竞速者在结构上占有很大的优势。

团队也在赛前采访中透露,赛车的两个轮子是在五六种结构中选择出来的。

分子量的巨大优势在这里体现出来。同样有车轮的结构,主场作战的图卢兹第三大学的绿色婴儿车,车身巨大,由一个连一个的芳环骨架构成,轮子则是四个三蝶烯结构,三个叶片绕轴旋转。法国队希望绿色婴儿车将来能运输碳60,即足球烯,所以才把车身做大。

而俄亥俄大学山猫纳米车的车身虽然比绿色婴儿车轻便,但受累于它的四个轮子,4-苯基吡啶外部围绕着巨大的葫芦脲结构,但并没有化学键将其连接——这也是为什么它会像开头提到的那样脱落。而巨大的轮子使得山猫纳米车比绿色婴儿车要重上 4 倍。

研究人员葫芦脲结构的模型,背后的电脑屏幕上是山猫纳米车 ©Rob Hardin / 俄亥俄大学

另外三个根本不像车的分子车则上演了一出小马过河,各自显示了结构选择的重要性。

瑞士巴塞尔大学的瑞士纳米改装车跳出了桎梏,根本没有做车轮。团队利用了分子间的弱相互作用力来减少摩擦,让赛车像磁悬浮一样在赛道上前进,因此勇夺第一。

德国德累斯顿工业大学的风车更像是一枚手里剑,四个乙烯基联苯通过氢键连接成风车的形状,因为结构对称,它不需要特意转向,每个方向都是前方。也正因如此,走直线对它来说似乎有点困难。

日本队的材研魔力车有点像平衡车,但车轮并不能转动,只能像毛毛虫一样蠕动,好在绿色婴儿车在起跑线出了故障,让日本队不至于垫底。尽管如此,材研所的化学家还是对以新方式探索这种分子的前景感到兴奋——不仅仅是科学上的合作,团队也得到了丰田的赞助。

尽管车轮不能转,但在科研上还是很有意义。

丰田不是唯一一家对这场比赛感兴趣的公司,大众和标致雪铁龙分别赞助了德国队和法国队。

纳米车赛不仅是一场比赛,也是对分子机器的性能测试和控制实验。未来几年中,分子机器将有望用于组装电路、分解垃圾或是捕获能量,并且是在单个原子的水平上。去年的诺贝尔化学奖就授予了分子机器的先驱者们。

比赛冠军美国-奥地利队的领队、莱斯大学的化学家 James Tour 说,“这是一个开端,预示着纳米层级对障碍物与速度的控制,并将为更快的速度铺平道路,最终做到货物运输和从局部到整体的装配。”

比赛不仅成功实现了一些分子操纵的实验,也很好地传播了单分子显微镜的相关知识。Joachim 说,四探针显微镜的分辨率和表面化学上得到的成果将作为论文发表,而社交网络上超过 10 万人对比赛的关注也令人难忘。

在 NanoCarRace 的 YouTube 频道上可以回顾这场比赛。祝你愉快。

题图及文中图片均来自 CNRS

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