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分子機器通過化學反應製作出來的嗎?

2017年08月24日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 5 ℃ 次

【吳tingxi的回答(71票)】:

自然界的分子機器大多數是蛋白質組成的大分子,是大自然經過數十億年的進化製造出來的。比如非常經典的ATP合成酶,驅動蛋白,DNA複製酶等等。

而最近二十年化學家則想在實驗室裡用合成的小分子來模擬一些生物大分子機器或者宏觀機器的功能,被稱為人工分子機器(Artificial molecular machine)。

最基本的一些可動的連接片段,比如sigma單鍵或者pi-金屬複合物的自由旋轉,雙鍵光照下的順反異構可用來做彎曲運動的單元,平移運動目前大多數是利用環狀分子在軸上往復運動實現的,如果是兩個環套在一起則可以實現一個環相對另一個環的轉動。

除了這些基本的運動模式外,另一個大問題是要考慮如何控制這些運動,早期的人工分子機器是環境熱驅動的無規運動,後來才慢慢發展為外界刺激響應式控制。常見的有酸鹼化學控制,氧化還原電位控制和光照控制。值得指出的是,雖然自然界的分子機器大多數都是化學能驅動的,但這是建立在生物體有一套完善的物料運輸循環系統可以不停的運送原料和運走廢物的基礎上。人工分子機器目前大多在玻璃瓶子或者材料表面運行,沒有這麼強大的輸運系統,所以化學控制的機器如果不能實現廢料的合理管理,很快就會因為堆積的副產物效率降低直至停止。相比之下,光和電驅動的要麼只有構型變化,要麼只有電子轉移,可循環的次數可能會更多。(當然化學控制的簡單好做,畢竟可逆化學反應那麼多。。。)這裡有三個非常經典的例子分別是化學,氧化還原和光照控制的主客體複合物結合和分離的控制反應。

人工分子機器的研究目前面臨的瓶頸是如何讓這些納米機器做功,通常來說有兩種思路,一個是在微觀環境下通過能量輸入,讓分子機器將其轉化為有用功將平衡體系驅離平衡態,比如用分子機器驅動某個非自發的化學反應,另一種是分子機器的聚集體在宏觀上造成可觀測的變化,比如將人工分子肌肉做成纖維收縮提起重物。

我這裡提供兩個idea,都是基於輪烷的,第一個是通過switch輪烷中環的位置與不同的端基結合實現不同的功能,比如說催化兩個不同的反應(可以關注下David Leigh的工作)。第二個是通過輪烷的平移作用實現小範圍內的物料運輸,這個需要調控被運輸物在起點和終點與大環的結合力(可以關注J Fraser Stoddart和Alberto Credi的工作)。

標籤:-化學 -化學反應 -納米技術


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