諾獎(jiǎng)得主費(fèi)林加：造“小”的藝術(shù)

陳冰

費(fèi)林加指出，對(duì)年輕人來(lái)說(shuō)，最重要的是要提出問(wèn)題。攝影/岑丹峰

世界上最小的機(jī)器有多?。看鸢甘侵挥邪l(fā)絲千分之一粗細(xì)！在合成化學(xué)領(lǐng)域，微型電梯、微型電機(jī)、微縮肌肉，它們都有一個(gè)共同的名字：分子機(jī)器。

5月中旬，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主伯納德·盧卡斯·費(fèi)林加（Bernard Lucas Feringa）在“浦江科學(xué)大師講壇”上，以《造“小”的藝術(shù)：從分子開(kāi)關(guān)到分子馬達(dá)》為題，分享了他的科研故事，以及他對(duì)于學(xué)術(shù)與創(chuàng)新的洞見(jiàn)。

從荷蘭農(nóng)場(chǎng)走出的諾獎(jiǎng)大師

無(wú)論科技多么發(fā)達(dá)，費(fèi)林加總會(huì)懷念童年時(shí)代的農(nóng)場(chǎng)生活。那是他夢(mèng)想開(kāi)始的地方——一個(gè)美麗的荷蘭小鄉(xiāng)村。12歲之前，費(fèi)林加從未離開(kāi)過(guò)那里。他有個(gè)很大的家庭，在9個(gè)兄弟姐妹中，他排行第二。

在費(fèi)林加記憶里，家鄉(xiāng)的一切都是那么新奇有趣?！皩?duì)年輕人來(lái)說(shuō)，最重要的是要提出問(wèn)題?！睘槭裁椿ǘ淙绱嗣利?？為什么春天作物生長(zhǎng)？一個(gè)個(gè)問(wèn)題背后，是幼時(shí)的費(fèi)林加對(duì)世界的好奇。

在農(nóng)場(chǎng)的閣樓上，費(fèi)林加擁有了一座小小的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這是他在化學(xué)王國(guó)里的第一塊自己的領(lǐng)地。在那里，他親手合成化合物，觀察漂亮的晶體，通向科學(xué)的冒險(xiǎn)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(zhǔn)方向，但是這些讓人‘繞圈圈的問(wèn)題是最有趣的，它們會(huì)帶來(lái)意想不到的答案，改變我們的世界。”

懷著對(duì)分子研究的熱情，費(fèi)林加進(jìn)入格羅寧根大學(xué)（University of Groningen）學(xué)習(xí)。其間，他親手做出了一個(gè)分子。“記得當(dāng)時(shí)我告訴教授我做出了分子，他說(shuō)，世界上在你之前沒(méi)有人做出過(guò)這個(gè)，這個(gè)分子是屬于你的?！碧崞疬@件事，費(fèi)林加今天依然驕傲，“盡管這個(gè)分子并沒(méi)有什么用處”。

至于幾十年后能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，是費(fèi)林加壓根沒(méi)想過(guò)的事情?！熬拖駞⒓訆W運(yùn)會(huì)的運(yùn)動(dòng)員，不是一天到晚想著拿金牌的。這需要努力訓(xùn)練，還有點(diǎn)運(yùn)氣?！?/p>

費(fèi)林加主要研究“分子機(jī)器”，這是一種能在分子層面上實(shí)現(xiàn)將外部能量輸入轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)輸出的裝置。通俗地說(shuō)，就是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(jī)器一樣運(yùn)動(dòng)，是一種超分子體系。

分子機(jī)器就作為在分子層面這種微觀尺度上運(yùn)行的機(jī)器，也可以說(shuō)是世界上最小的機(jī)器。與日常生活中我們所使用的、主要基于機(jī)械和物理原理的機(jī)器不一樣，分子機(jī)器聚焦于分子研究。未來(lái)，分子機(jī)器有可能被用于新型傳感器、新材料和能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域。

“分子開(kāi)關(guān)”是其中一個(gè)非常重要的研究成果。

什么是開(kāi)關(guān)？能夠在0和1兩種狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的分子就是開(kāi)關(guān)。費(fèi)林加俏皮地眨眨眼：“眼睛就是一種最簡(jiǎn)單的生物開(kāi)關(guān)?！倍肿娱_(kāi)關(guān)則將0和1的轉(zhuǎn)換帶到了納米級(jí)的尺度。

費(fèi)林加相信，分子開(kāi)關(guān)的光敏性與可以對(duì)患處實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療的特點(diǎn)，讓它能夠在醫(yī)藥行業(yè)大顯身手?！氨娝苤?xì)菌的耐藥性是人類的‘定時(shí)炸彈，于是我們生產(chǎn)了能夠以光來(lái)激活的抗生素，通過(guò)光線的照射實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉。”

他向大家展示了自己的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)皿中的細(xì)菌在沒(méi)有光線的地方可以正常生長(zhǎng)，而在有光照的地方無(wú)法生存?！斑@意味著，未來(lái)藥品會(huì)變得更加安全。”

5人，8年，造出2納米微型車

“我們要以什么樣的方式面對(duì)未來(lái)？”略作停頓后，費(fèi)林加伸手向前輕輕一握，“迎接未來(lái)最好的方式就是‘創(chuàng)造未來(lái)?！?/p>

因?yàn)橄矚g發(fā)明，費(fèi)林加做過(guò)很多有趣的嘗試——荷蘭以風(fēng)車著名，他便想著用分子來(lái)搭一座風(fēng)車，“有底柱、風(fēng)葉和軸，通過(guò)光的驅(qū)動(dòng)，能像真正的風(fēng)車一樣轉(zhuǎn)起來(lái)?！鄙踔猎斐鲆徽麄€(gè)能放在水平面上的“分子風(fēng)車公園”。

費(fèi)林加合成的分子馬達(dá)，則是將宏觀意義上的發(fā)動(dòng)機(jī)在微觀層面進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，是分子機(jī)器的關(guān)鍵組成部件之一。費(fèi)林加的課題組通過(guò)借鑒DNA這個(gè)右手性的螺旋體制造了會(huì)旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)，且通過(guò)模擬人眼中的光分子開(kāi)關(guān)來(lái)控制馬達(dá)速度。課題組還借鑒月亮繞行地球的方式，制造了旋轉(zhuǎn)時(shí)永遠(yuǎn)固定朝向的分子馬達(dá)；借鑒人類細(xì)胞光開(kāi)關(guān)的工作原理，制造了光驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)從而構(gòu)建出柔軟的人造“肌肉”。

控制分子馬達(dá)運(yùn)動(dòng)最重要的問(wèn)題是什么？“那就是控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，包括速度和方向?！辟M(fèi)林加研制的第一個(gè)分子馬達(dá)，一小時(shí)只能轉(zhuǎn)一圈，“可不能把這個(gè)馬達(dá)安在車上，太慢了”，而最新的分子馬達(dá)一秒鐘可以旋轉(zhuǎn)1000萬(wàn)圈，這是個(gè)驚人的進(jìn)步。

實(shí)際上，“用分子制造機(jī)器”這一想法早已有之。早在1959年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）就談到過(guò)“在小范圍內(nèi)操縱和控制事物”的問(wèn)題，其中“小范圍”指的就是由一個(gè)或幾個(gè)分子所組成的機(jī)器。

二十年后，納米技術(shù)先驅(qū)埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）偶然發(fā)現(xiàn)了費(fèi)曼關(guān)于機(jī)器講座的抄本。他在費(fèi)曼設(shè)想的基礎(chǔ)上做出了進(jìn)一步發(fā)展，于1981年發(fā)表了一篇名為《分子工程》的論文。在文章中，德雷克斯勒提出了通過(guò)分子大小的機(jī)器在原子尺度上操縱化學(xué)過(guò)程甚至構(gòu)建新材料的設(shè)想。

再后來(lái)，便是三位諾獎(jiǎng)得主的工作。首先，索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）教授成功合成了一種名為索烴（catenane）的兩個(gè)互扣的環(huán)狀分子，這兩個(gè)分子能夠相對(duì)移動(dòng)；隨后，斯托達(dá)特（Sir J. Fraser Stoddart）教授合成了輪烷（rotaxane），即將一個(gè)環(huán)狀分子套在一個(gè)啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個(gè)軸上下移動(dòng)，并成功實(shí)現(xiàn)了上升高度達(dá)0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；最后，費(fèi)林加教授設(shè)計(jì)并合成分子馬達(dá)。有了這三種關(guān)鍵部件，分子機(jī)器的概念才得以完全構(gòu)建起來(lái)。

對(duì)于化學(xué)特別是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的科研工作者來(lái)說(shuō)，其重要使命就是合成這個(gè)世界上不存在的新分子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新材料功能，同時(shí)提供新的科學(xué)見(jiàn)解。

費(fèi)林加親手做出的第一個(gè)獨(dú)屬于自己的分子。

費(fèi)林加說(shuō)，今天我們深入微觀世界，研究“小”的藝術(shù)，便是在另一種時(shí)空尺度上迎接新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

首先，“小”是一切“大”的基礎(chǔ)。研究肉眼不可見(jiàn)的微小之物，有助于我們理解世界的運(yùn)行規(guī)律——這不僅僅是科學(xué)家出于好奇心的探索，也是人類追尋世界本源、拓寬認(rèn)知邊界的重要一步。

科學(xué)研究中，所有的門路都要自己摸索，到底哪里走得通一開(kāi)始誰(shuí)都不知道，所以你必須允許犯錯(cuò)，并會(huì)從錯(cuò)誤中學(xué)到知識(shí)。

其次，“小”本身也有獨(dú)特價(jià)值。對(duì)“小”的研究可以重塑我們的生活方式。生活在上個(gè)世紀(jì)的人大概無(wú)論如何也想象不到，今天的我們可以把曾經(jīng)塞滿整個(gè)房間的電腦捧在手上。正是由于幾十年來(lái)科學(xué)家們不斷縮小晶體管尺寸的努力，才有了人類今天交流與獲取信息的便捷。

由此可見(jiàn)，如果將機(jī)器做到分子尺度，也可能給人類社會(huì)帶來(lái)革命性的改變。當(dāng)然，建造分子機(jī)器所面臨的問(wèn)題與上述領(lǐng)域并不相同——它是化學(xué)和物理學(xué)科的重大挑戰(zhàn)，主要集中于合成化學(xué)、分子組裝與納米技術(shù)等方面。

費(fèi)林加設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)能定向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)（molecular motor），這個(gè)馬達(dá)可以帶動(dòng)一個(gè)比它本身大1萬(wàn)倍的玻璃棒（28微米長(zhǎng)）旋轉(zhuǎn)起來(lái)，從而完成了分子機(jī)器領(lǐng)域研究的關(guān)鍵一環(huán)?！耙坏┰诜肿訉用婵刂屏诉\(yùn)動(dòng)，就為控制其他各種形式的運(yùn)動(dòng)提供了可能。這一研究成果為未來(lái)新材料的研發(fā)開(kāi)啟了廣闊前景?！彼f(shuō)。

目前，這些技術(shù)已經(jīng)用于抗癌新藥上，比如，通過(guò)光開(kāi)關(guān)來(lái)控制抗癌藥物的作用，當(dāng)人體照射紅外線時(shí)，藥物的作用開(kāi)關(guān)就會(huì)開(kāi)啟?！拔磥?lái)，我們甚至可以把帶有分子馬達(dá)的納米機(jī)器人注入到人體內(nèi)，清晰地觀測(cè)到某個(gè)細(xì)胞的問(wèn)題。到那時(shí)候，也許只需曬曬太陽(yáng)，就可以讓分子機(jī)器把藥物精準(zhǔn)地遞送到那些問(wèn)題細(xì)胞?！?/p>

費(fèi)林加坦言，這些雖然現(xiàn)在聽(tīng)起來(lái)還很科幻，但在未來(lái)完全可以實(shí)現(xiàn)?！盎A(chǔ)研究的關(guān)鍵是，我們每個(gè)人都必須走出自己的地平線，做出新的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，向自然尋求靈感?！?/p>

通過(guò)耦合分子馬達(dá)，費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)還研制出四輪“分子車”。在這輛大小僅有2納米超微型的車上，分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的力轉(zhuǎn)化成為平移的力，世界上最小的車就這樣開(kāi)動(dòng)了。

在這輛大小僅有2納米超微型的車上，分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的力轉(zhuǎn)化成為平移的力，世界上最小的車就這樣開(kāi)動(dòng)了。

為了造出這輛微型納米車，費(fèi)林加和4個(gè)學(xué)生花了足足8年時(shí)間。一開(kāi)始他們?cè)斐鰜?lái)的四輪納米車，所有輪子往一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，車子只能原地打轉(zhuǎn)不能前進(jìn)。團(tuán)隊(duì)花了3年糾正錯(cuò)誤。

但費(fèi)林加不怕犯錯(cuò)，也建議大家千萬(wàn)不要害怕犯錯(cuò)。

“科學(xué)研究中，所有的門路都要自己摸索，到底哪里走得通一開(kāi)始誰(shuí)都不知道，所以你必須允許犯錯(cuò)，并會(huì)從錯(cuò)誤中學(xué)到知識(shí)?！?h3>學(xué)習(xí)，永遠(yuǎn)在路上

分子馬達(dá)、納米車、分子機(jī)器……對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，費(fèi)林加做的研究聽(tīng)上去像是科幻片，距離日常生活依然遙遠(yuǎn)。

事實(shí)上，基礎(chǔ)研究到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用從不會(huì)一蹴而就。費(fèi)林加最為頭疼的問(wèn)題之一，就是經(jīng)常被問(wèn)“你的研究有什么用”。

“現(xiàn)在的分子馬達(dá)，相當(dāng)于19世紀(jì)30年代的電動(dòng)馬達(dá)，那時(shí)的研究者僅僅在實(shí)驗(yàn)室里展示各式各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和動(dòng)輪，絲毫不知這些東西將導(dǎo)致洗衣機(jī)、風(fēng)扇的誕生。”費(fèi)林加相信，通過(guò)不同學(xué)科的協(xié)力與合作，能鋪就未來(lái)發(fā)展之路。

費(fèi)林加暢想，現(xiàn)在，分子馬達(dá)和分子車已經(jīng)可以做出旋轉(zhuǎn)、平移、推動(dòng)這樣精彩的運(yùn)動(dòng)，50年后，它們或許會(huì)迎來(lái)實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，那時(shí)將做得更多、更好。

比如在醫(yī)療領(lǐng)域，分子機(jī)器可以進(jìn)入人體精準(zhǔn)靶向遞送藥物，為癌癥治療提供助力；在材料領(lǐng)域，分子機(jī)器可以制造能夠進(jìn)行自清潔和自修復(fù)的材料；在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，分子機(jī)器可以成為信息的存儲(chǔ)單元……

“怎樣創(chuàng)造未來(lái)、解決人類現(xiàn)有困境？分子納米技術(shù)可以提供一種路徑，其他學(xué)科也有自己的路徑，但最重要的是我們要將智慧和努力結(jié)合起來(lái)。”費(fèi)林加的團(tuán)隊(duì)和合作對(duì)象中包括許多不同國(guó)家、不同專業(yè)的學(xué)者，他也正通過(guò)學(xué)習(xí)，與不同學(xué)科對(duì)話交流，激發(fā)更多研究靈感?！翱茖W(xué)的旅程是一場(chǎng)冒險(xiǎn)，對(duì)于年輕人來(lái)說(shuō)，保持好奇、勇于探索是最重要的。”

對(duì)于青年學(xué)子，費(fèi)林加總不吝給予最熱情的鼓勵(lì)，同時(shí)不忘建議，學(xué)術(shù)研究行穩(wěn)致遠(yuǎn)的訣竅，需要“兩條腿”走路，而不能“單腳跳”——一方面，致力創(chuàng)新突破，爭(zhēng)取得出開(kāi)創(chuàng)性成果；另一方面，也要在自己熟悉的領(lǐng)域做些研究，為自己積攢學(xué)術(shù)聲譽(yù)，提高學(xué)術(shù)能力?！斑@樣一來(lái)，即使遇到失敗也有緩沖的余地?！?/p>

“有人說(shuō)，你得了諾貝爾獎(jiǎng)，不需要再學(xué)習(xí)了。”

費(fèi)林加則表示：“不是的，當(dāng)我們想要制造智能藥品（smart medicine），就要和生物學(xué)家、臨床醫(yī)生合作，我需要了解他們的知識(shí)。我們相互學(xué)習(xí)、相互欣賞，這極其重要?！?p>

費(fèi)林加的科研團(tuán)隊(duì)匯集了13個(gè)國(guó)家和地區(qū)的學(xué)生。

正如幾年前，他專門買了本細(xì)胞學(xué)的書(shū)，1200頁(yè)，像個(gè)大一新生一樣從頭學(xué)起，一步步理解并實(shí)踐著偶像達(dá)·芬奇在150年前說(shuō)的那句名言——“當(dāng)自然完成了對(duì)它的物種的生產(chǎn)的時(shí)候，人類就要開(kāi)始在自然的幫助下創(chuàng)造無(wú)限的種族和物種。”

從大學(xué)畢業(yè)后，費(fèi)林加在產(chǎn)業(yè)界工作了一段時(shí)間，后來(lái)又回到大學(xué)任教。他說(shuō)，自己一直記得自己的導(dǎo)師漢斯·溫伯格的名言：“希望每一個(gè)孩子在他的一生中，都有一個(gè)能讓他變得與眾不同的好老師。”所以，他也樂(lè)于和不同年齡段的學(xué)子保持密切的交流?！敖逃粦?yīng)該是重復(fù)，而應(yīng)該讓學(xué)生通過(guò)做各種豐富的實(shí)驗(yàn)、在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在對(duì)世界的探索中學(xué)習(xí)。”

“未來(lái)需要靠年輕人來(lái)創(chuàng)造，我花時(shí)間和青少年交流，不是為了現(xiàn)在，而是為了未來(lái)——為了他們能在將來(lái)更好地塑造這個(gè)世界。”費(fèi)林加說(shuō)。（殷夢(mèng)昊、張菲埡、劉栩含對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）

院士小傳

伯納德·盧卡斯·費(fèi)林加

1951年出生于荷蘭，有機(jī)化學(xué)家，主要從事分子機(jī)器與有機(jī)不對(duì)稱催化等領(lǐng)域的研究。2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了包括費(fèi)林加教授在內(nèi)的三位科研人員，以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)。其中，費(fèi)林加教授設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)能定向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)，完成了分子機(jī)器領(lǐng)域研究的關(guān)鍵一環(huán)，從而引發(fā)“分子革命”，將化學(xué)研究推向了一個(gè)新維度。

目前，費(fèi)林加是范特霍夫分子科學(xué)名譽(yù)教授，荷蘭皇家科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、美國(guó)人文與科學(xué)院外籍院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士。