世界首场纳米车竞赛，即将发车

化学家将沿着微小的金赛道驾驶分子小车。
作者： Davide Castelvecchi, 2017年4月20日刊于《自然》

纳米车的化学结构。 Credit: Shirai, Y. et al., Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

来自3大洲的6支队伍正准备参加一场本月于法国南部在一条抛光的金赛道上举办的别开生面的车赛。但这并不是一场豪车盛宴：参赛者将驾驶单个分子进行比赛。在36小时内，他们将要把这些分子小车移动100纳米，大概就是头发丝直径的千分之一那么宽，赛道在实验室里的真空极寒环境中，温度比绝对零度*略高一些。

*绝对零度：(英语：absolute zero)是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成K，等于摄氏温标零下273.15度(即−273.15℃)——译者注，来自维基百科

该项赛事被列位世界首场纳米车竞赛，活动的合作组织者、在本次活动举办地图卢兹材料制造和结构研究中心工作的化学家，克里斯蒂安·约阿希姆(Christian Joachim)表示，本次活动的目标是让人们对纳米科技和分子机器感到一颗赛艇。约阿希姆在接受记者采访之后意识到纳米车比他在纳米科技基础方面的研究更具吸引力，于是他和图卢兹-保罗·萨巴蒂耶大学的化学家格温内尔·罗彭内(Gwénaël Rapenne)一同发起了这项竞赛。

本次赛车或许也能够为想要了解更多关于单个分子与表面相互作用的参赛者们提供科学见解。参赛者表示，这也许能帮助催化剂的设计，以及放眼将来，长远的目标也可能是制定运输货物或信息的分子技术。约阿希姆表示：“这是一个许多人同时进行的巨大实验。”(《自然纳米科技》(Nature Nanotechnology)是本次竞赛的赞助者，独立于《自然》(Nature)的新闻组)

用电子驾驶

纳米车这个术语实际上是一个不正确的词，因为这个比赛中的分子没有发动机。(约阿希姆表示，将来的比赛或许会将其纳入)而且分子是否会像车一样滚动也不是很清楚：一小部分的设计也许是这样，但更多的设计则缺少车轴和车轮。奥地利格拉茨大学的物理学家、美国-奥地利联队的联队长莱昂纳德·格里尔(Leonhard Grill)指出，司机将使用来自扫描隧道显微镜(STM)探针的电子来帮助他们的分子不断进行簸动，通常是以每次0.3纳米的速度，来完成100纳米这样“不得了的长度”。

该“风车”纳米车在一个表面上行进：摄于德累斯顿训练期间。

参赛者禁止用STM的探针直接推动他们的分子小车前进。一些队伍把他们的分子小车设计成靠来击的电子提高其能级，从而引发振动或改变分子结构，使赛车手一起簸动。其他人则期待用电子的静电斥力作为主要驱动力。日本筑波的国立材料科学研究所的有机化学家中西和嘉(Waka Nakanishi)设计了一辆有两组“扇叶”纳米车，可以在STM探针发射电子给分子小车充能时像蝴蝶翅膀一样扑动。她表示，参加这项比赛的一部分原因是获得图卢兹实验室最先进的STM使用机会，以更好地了解分子的行为。

雅典市(美国)俄亥俄州立大学的化学家埃里克·马森(Eric Masson)希望确认他所在团队的分子小车的“车轮”(南瓜形状的原子团)究竟是在表面滚动还是只是简单地滑动。马森表示：“我们想更好地了解分子与表面之间相互作用的性质。”

简单地观看比赛过程只是这场战役的一半。每支队伍在尝试簸动后，会花三分钟用STM扫描各自的赛道，而且每一小时后，他们将会生成一个短暂的动画并立即在线发布。约阿希姆表示，这样一来，每个人都能够几乎实时观看比赛。

纳米级竞赛
化学家此前已经制作了具有轮子和轴的微小的纳米车、以及分子转子和开关。 2016年诺贝尔化学奖授予了分子机器的设计者，再次引发了对该领域的兴趣。然而约阿希姆表示，诺贝尔奖获得者主要在研究大量分子的解决方案，而参与本次比赛的研究人员的关注点在于单分子和固体表面之间的相互作用。

但纳米车的行为与现实生活中的汽车完全不同，这使得它们很难发挥作用。在纳米层级，静电力占主导地位，随机热振动也在不断地震动分子。格里尔表示，其结果就是纳米机器或许会以非预期或不可预测的方式做出行为。

图卢兹实验室有一个非常规的带有四个扫描探针的STM——大多数只有一个——这可使4支队伍同时进行比赛，每支队伍位于纯金表面的不同区域。6支队伍将在本周竞争以获得4强称号；决赛将于4月28日当地时间上午11点举行。参赛者将在比赛中面临多种障碍。约阿希姆表示，比赛中单个分子经常会丢失或被卡住，而且最棘手的部分可能是找到办法通过两个弯道。他认为赛手可能需要多次重启才能弥补这些距离。

本文译自 Scientific American，由 HW 编辑发布。