对话诺贝尔奖得主：当“世界上最小的机器”进入我们的皮肤会发生什么？
百科
科学
2024-10-25 06:00
北京
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撰文 | 刘六七
审校 | Cloud
大胆做梦一下：如果你获得了诺贝尔自然科学领域的奖项，会如何应用你的技术？是像屠呦呦那样，把青蒿素用于制造抗疟疾的药物，还是像2000年化学奖得主们那样，凭借导电聚合物（触摸屏）掀起手机领域的革新浪潮？不管你脑中的计划是什么，它大概率都是野心勃勃的，甚至还带着点要推进人类文明的色彩。不过，一些诺奖得主却想把技术用于比较“有温度”的领域。化学家弗雷泽·司徒塔特爵士（Sir Fraser
Stoddart）曾凭借“分子机器”荣获2016年诺贝尔化学奖，也曾在超分子化学领域做出巨大贡献。然而在事业巅峰期，他却开创性地把分子机器与护肤品结合起来，给很多人带来惊喜。弗雷泽·司徒塔特。文章最后，有弗雷泽先生对“把科学带回家”读者说的话哦！弗雷泽为什么产生了做护肤品的想法？什么是分子机器？用诺奖技术制作出来的护肤品效果真的好吗？在回答这些问题之前，我们不妨先认识一下世界上最小的机器：比头发丝还细1000倍的“分子机器”（molecular machine）。1984年，物理学大拿理查德·费曼用这个问题开启了一场演讲。穿着朴素的粉色POLO衫和米色短裤，费曼向观众席上的科研工作者说道：“让我们来谈谈制造一台有可移动部件，且体积非常微小的机器的可能性。”当时，科技界已经把电脑从一整个房间那么大，缩小到可以放置在桌面上的体积，费曼认为人们也可以将身边的机器小型化，并从中受益。有两个方向可以实现这个目标，其中一个是由大至小，先创造一双小巧的机械手，然后再用这双机械手造出一双更小的机械手，直到一双极其微小的机械手制造出一台同样微小的机器。理查德·费曼曾在1965年获得诺贝尔物理奖|图源：wiki commons经过尝试，由大至小的方法宣告失败，于是希望落在由小至大搭建机器上。在那场演讲结尾，费曼对在场观众意味深长地说：“看看你们能不能把现有的机器设计得十分微小，然后等个25至30年探索其用途。至于能用于哪些领域，我也不知道。”费曼那时大概没料到，32年后，他当初设想的机器不仅获得了诺贝尔奖，甚至还拥有了各种各样的用途。与弗雷泽（中）共同赢得2016年诺贝尔化学奖的还有让-皮埃尔·索瓦日（左）和伯纳德·费林加（右），获奖原因皆因对分子机器的设计和合成做出了巨大贡献|图源：Nobelprize.org回顾分子机器的发展历程，它确实是由小至大搭建起来的。20世纪80年代，有科学家成功将两个环状分子套在一起，创造出索烃（catenane）。通常而言，一台机器想要运转就必须包含可以相互移动的零件，索烃的两个环可以相互移动又不会完全散开，是做零件的天选材料。索烃制作方式，这不仅创造出一种新分子，还发明出新的分子连接方式|图源：Nobelprize.org索烃问世大概10年后，弗雷泽创造出了一种更精细的零件：轮烷（rotaxane）。他将一个环状分子套在一个长条形的分子上，而且还能通过实验，让环状分子按照设定方式沿着条状分子移动。弗雷泽把几个轮烷立起来，便搭建出 “分子电梯”，这台电梯可以在垂直方向上移动0.7纳米。利用分子特性，弗雷泽还与其他科学家用轮烷设计出20KB的电脑芯片，大大压缩了芯片晶体管的体积。分子电梯示意图|图源：Nobelprize.org受弗雷泽启发，五花八门的“分子零件”先后问世，有人制造出可以组装氨基酸的分子机器人，有人设计出每小时能前进5纳米的分子汽车。还有科研人员尝试将分子机器技术用于研发新材料和电池。就在这时，作为分子机器领域的奠基人之一，弗雷泽开创性地决定把这项技术和护肤品结合起来。在很多人看来，“超分子化学”与“护肤品”是相隔千里的两个领域。正因如此，当弗雷泽把分子机器用于护肤品时，不少人感到了惊讶。不过，如果你了解他的成长背景，便会觉得这种结合也在情理之中。1942年，弗雷泽出生于苏格兰爱丁堡，18岁前，一直生活在没有通电的农场中。他最喜欢用玩拼图来打发时间，这不仅在无形中培养了他对形状的敏锐度以及把碎片连接起来的技能，还让他对艺术和美产生了一定追求。哪怕已经在行业中取得一定成就，弗雷泽仍喜欢像儿时玩拼图那样组装分子。他曾用分子临摹博罗梅奥家族盾牌上的三环图案，还有象征所罗门国王智慧的标志等。回忆起用分子作画的经历，他至今仍觉得很享受。弗雷泽身边的女性同样对其事业产生了积极影响——他的妻子和两个女儿都拥有化学博士学位，这也大概能解释弗雷泽为何会产生把分子机器与护肤相结合的念头。这条故事线要从一种叫“伽马-环糊精”（gamma-Cyclodextrin）的物质讲起，这是一个由8个糖单元组成的分子，形状像一个上宽下窄、两端开口的水桶，具有较大空腔。它可以用玉米小麦合成，十分绿色环保。![]()
伽马-环糊精结构|图源：International Journal of Pharmaceutics如果把6个伽马-环糊精以特定方式结合在一起，便可以得到一个拥有很多空腔的“方块”，把上万个“方块”组合在一起，便可以得到一个拥有很多存储空间的容器。而且这个容器在遇到水时会开始有序瓦解，从而把存储在空腔中的物质缓慢释放出来。弗雷泽将其命名为“有机超分子容器”（Organic Super Molecular Vessels）。在护肤品制作过程中，研发人员将护肤活性成分存放在容器的空腔中，避免它们与氧气和光照接触失活。而且该容器的体积比皮肤细胞小1万倍，可以携带活性成分轻松进入肌肤深处，渗透力比市场上现有的产品高200%。进入到细胞后，容器遇水开始瓦解，鲜活的护肤成分便会开始缓慢释放，较一般护肤品释放时间延长了10倍，避免对皮肤产生刺激。此外，通过预先设计，科研人员还可以让不同成分以特定顺序释放，从而和肌肤生物钟重合，达到事半功倍的效果。弗雷泽骄傲地表示，分子机器创造出世界上独一无二的护肤品，“有机超分子容器”就像一台运输车，高效地将护肤活性成分运送到最需要它们的地方。当其他品牌还在拼成分时，弗雷泽用科学家的思维专注在输送上，毕竟就算你拥有世界上最好的护肤成分，如果不能使它们进入皮肤并被高效吸收，都是浪费。弗雷泽曾在采访中表示，自己的儿时梦想是可以积极影响人类，如今作为一名科学家，将自己最珍视的技术用于与每个人息息相关的日常生活，好像是年少时梦想的兑现。这何尝不是一种浪漫呢？我知道很多“把科学带回家”的读者都在学习化学，但是发现这是一门很难的学科。遗憾的是，在培养学生对化学的兴趣方面，世界上很多学校做的都不够好。我的建议是，有可能的话尽早进入实验室，因为在实验室里，你会发现化学不仅是一门科学，更是一门在最小尺度上展开的艺术。你可以创造各种各样的分子，这个过程就像是画家、作曲家和小说家的工作一样。化学是科学与艺术的浪漫结合，希望你也能体会到化学的魅力。参考资料：
[1]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/press-release/
[2]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/popular-information/
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