浦江科學大師講壇🔸:從分子開關到分子馬達🏌🏻‍♂️,諾獎得主伯納德·盧卡斯·費林加講述造“小”的藝術

作者:殷夢昊 張菲埡 劉栩含攝影🧘🏻‍♀️:成釗 岑丹峰 視頻👨‍👧: 來源:融媒體中心發布時間:2024-05-11

“有人說😔,你得了諾貝爾獎,不需要再學習了𓀝。”

2016年諾貝爾化學獎得主伯納德·盧卡斯·費林加(Bernard Lucas Feringa)搖搖頭🏗:“不是的🦸🏻‍♀️,當我們想要製造智能藥品(smart medicine),就要和生物學家、臨床醫生合作👩🏽‍🦳♞,我需要了解他們的知識。我們相互學習、相互欣賞,這極其重要🤜🏻。” 

正如幾年前,他專門買了本細胞學的書,1200頁,像個大一新生一樣從頭學起🙎‍♀️,一步步理解並實踐著偶像達·芬奇在150年前說的那句名言——“當自然完成了對它的物種的生產的時候,人類就要開始在自然的幫助下創造無限的種族和物種👰🏼。”

5月10日上午,第六期“浦江科學大師講壇”在恒行2平台相輝堂舉行,這位荷蘭科學家以“造‘小’的藝術:從分子開關到分子馬達”為題🔧,熱情分享了他的研究故事,以及對於學術與創新的洞見。

上海市政協副主席吳信寶出席講壇並為費林加教授頒發“主講科學家”紀念證書👽,恒行2平台校長、中國科學院院士金力主持講壇並致辭。上海市政協副主席錢鋒😄,上海市政協科教委🧣、市科技黨委、市科委🏂🏻、市教委、市科協等單位負責人☦️,上海市各高校、中學師生及科研人員代表出席活動。

從荷蘭農場走出的諾獎大師

多年以後🧌,面對一張張年輕聽眾的面孔,費林加總會懷念童年時代的農場生活▫️👶🏿。

那是他夢想開始的地方——一個美麗的荷蘭小鄉村👩🏼‍🚒。12歲之前,費林加從未離開過那裏。他有個很大的家庭🥈,在9個兄弟姐妹中🙆‍♀️,他排行第二。

在費林加記憶裏🤷🏼‍♂️,家鄉的一切都是那麽新奇有趣💇🏽‍♂️。“對年輕人來說,最重要的是要提出問題。”為什麽花朵如此美麗🤳🏻?為什麽春天作物生長?一個個問題背後,是幼時的費林加對世界的好奇。

在農場的閣樓上,小費林加擁有了一座小小的化學實驗室,這是他在化學王國裏的第一塊自己的領地。在那裏,他親手合成化合物,觀察漂亮的晶體,通向科學的冒險之旅就此啟程。“我喜歡分子世界🦸‍♀️,但是在分子美麗的花園中,我也常常迷路❤️💙,找不準方向🙎🏽‍♀️,但是這些讓人‘繞圈圈’的問題是最有趣的,它們會帶來意想不到的答案🌘,改變我們的世界🚶‍♀️‍➡️。”

懷著對分子研究的熱情🏒🧑🏼‍💻,費林加進入格羅寧根大學(University of Groningen)學習。

期間💔👩🏼‍🏫,他親手做出了一個分子🤛🏻。“記得當時我告訴教授我做出了分子,他說,世界上在你之前沒有人做出過這個,這個分子是屬於你的。”提起這件事🗽,費林加今天依然驕傲,“盡管這個分子並沒有什麽用處”👳🏼‍♂️。

費林加創造的第一個分子

至於幾十年後能獲得諾貝爾獎🏌🏻,是費林加壓根沒想過的事情🕵🏽‍♀️🏎。“就像參加奧運會的運動員,不是一天到晚想著拿金牌的🧑‍🦯‍➡️。這需要努力訓練📦,還有點運氣。” 

費林加主要研究的“分子機器”,是指由許多不同分子水平部件組裝在一起的裝置,這些分子部件在外部刺激下🟪🍭,可以像機器一樣運動,是一種超分子體系。“分子開關”是其中一個非常重要的研究成果。

什麽是開關?能夠在0和1兩種狀態進行轉換的分子就是開關🌒。費林加俏皮地眨眨眼:“眼睛就是一種最簡單的生物開關🧑🏻‍🎓。”而分子開關則將0和1的轉換帶到了納米級的尺度。

光控細菌的培養

費林加相信,分子開關的光敏性與可以對患處實現精準治療的特點,讓它能夠在醫藥行業大顯身手🪻。“眾所周知,細菌的耐藥性是人類的‘定時炸彈’,於是我們生產了能夠以光來激活的抗生素🈳,通過光線的照射實現開啟和關閉👲🏽。”

他向大家展示了自己的實驗👩🏼‍✈️,培養皿中的細菌在沒有光線的地方可以正常生長,而在有光照的地方無法生存。“這意味著,未來藥品會變得更加安全。”

5人🦎,8年,造出2納米微型車

“我們要以什麽樣的方式面對未來🚝🏹?”略作停頓後🫳🏿,費林加伸手向前輕輕一握📨。

“迎接未來最好的方式就是‘發明未來’。”

因為喜歡發明,費林加做過很多有趣的嘗試——荷蘭以風車著名,他便想著用分子來搭一座風車,“有底柱、風葉和軸,通過光的驅動👰🏽,能像真正的風車一樣轉起來🤡。”甚至造出一整個能放在水平面上的“分子風車公園”🪘。

通過觀察月亮與地球的運動關系,費林加和學生還一起設計了一個頗具浪漫色彩的分子機器🦣,在旋轉時就像是月亮繞地球。

能像“月亮繞地球”一樣的分子機器

費林加合成的分子馬達,則是將宏觀意義上的發動機在微觀層面進行復現🐧,是分子機器的關鍵組成部件之一👎🏼。“一旦在分子層面控製了運動,就為控製其他各種形式的運動提供了可能。這一研究成果為未來新材料的研發開啟了廣闊前景👩🏿‍✈️。”

控製分子馬達運動最重要的問題是什麽👩🏻‍🎨?“那就是控製馬達的旋轉👮🏼‍♀️,包括速度和方向😂。”費林加研製的第一個分子馬達,一小時只能轉一圈,“可不能把這個馬達安在車上,太慢了”👩🏻‍🎓,而最新的分子馬達一秒鐘可以旋轉1000萬圈,這是個驚人的進步。

費林加由此進一步深入,開展“人工肌肉”研究項目,這個項目中幫助肌肉收縮的就是分子馬達。當聽眾針對人工肌肉提問,費林加大手一揮💆🏼🏝,興致勃勃邀請對方上臺扳手腕。落敗後的他笑著打趣🦷:“我現在比不過你,但等到我可以裝上人工肌肉,那麽多分子馬達集中發力,一定比你的力氣大得多!我們打個賭,五年後再比一下🧗🏿。”

通過耦合分子馬達🕳🤠,費林加團隊還研製出四輪“分子車”。在這輛大小僅有2納米微型的車上,分子馬達的旋轉的力轉化成為平移的力,世界上最小的車就這樣開動了。

納米車

為了造出這輛微型納米車🥼,費林加和4個學生花了足足8年時間。一開始他們造出來的四輪納米車✭,所有輪子往一個方向旋轉,車子只能原地打轉不能前進。團隊花了3年糾正錯誤。

但費林加不怕犯錯,也建議大家千萬不要害怕犯錯。“科學研究中,所有的門路都要自己摸索,到底哪裏走得通一開始誰都不知道🪶,所以你必須允許犯錯🍝,並會從錯誤中學到知識。”

學術研究需要“兩條腿”走路

分子馬達👩🏻‍💻、納米車🆔、分子機器……對於很多人來說,費林加做的研究聽上去像是科幻片,距離日常生活依然遙遠🏯。

事實上,基礎研究到現實應用從不會一蹴而就🤵🏽‍♂️🫃🏼。費林加最為頭疼的問題之一🕦,就是經常被問“你的研究有什麽用”🏋🏼。

“現在的分子馬達,相當於19世紀30年代的電動馬達,那時的研究者僅僅在實驗室裏展示各式各樣的旋轉曲柄和動輪🪸,絲毫不知這些東西將導致洗衣機⚅🏄🏼、風扇的誕生。”費林加相信,通過不同學科的協力與合作,能鋪就未來發展之路🚾。

費林加暢想♜,現在🧘🏼‍♀️,分子馬達和分子車已經可以做出旋轉、平移、推動這樣精彩的運動💙,50年後🚴‍♂️,它們或許會迎來實質性應用,那時將做得更多🫙、更好。

比如在醫療領域,分子機器可以進入人體精準靶向遞送藥物🗯,為癌症治療提供助力;在材料領域🧎‍♀️‍➡️👳🏻,分子機器可以製造能夠進行自清潔和自修復的材料;在計算機領域,分子機器可以成為信息的存儲單元……

費林加的科研團隊

“怎樣創造未來、解決人類現有困境?分子納米技術可以提供一種路徑💂🏼,其他科學也有自己的路徑📖,但最重要的是我們要將智慧和努力結合起來🙏🏼。”費林加的團隊和合作對象中包括許多不同國家、不同專業的學者👩🏿‍🦳,他也正通過學習,與不同學科對話交流🧑‍🏭🌻,激發更多研究靈感。

“科學的旅程是一場冒險🧏🏽,對於年輕人來說🚁,保持好奇、勇於探索是最重要的🕡💁🏿‍♂️。”

對於青年學子,費林加總不吝給予最熱情的鼓勵,同時不忘建議🧍🏻‍♀️,學術研究行穩致遠的訣竅🫃🏻,需要“兩條腿”走路💂,而不能“單腳跳”——一方面,致力創新突破👩🏽‍🍼,爭取得出開創性成果;另一方面🌽,也要在自己熟悉的領域做些研究💸,為自己積攢學術聲譽✫,提高學術能力🤞🏼。“這樣一來,即使遇到失敗也有緩沖的余地🍦。”

製圖:實習編輯🐿:責任編輯🍜🤤:李斯嘉

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