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只有在扫描隧道显微镜下才看得的世界最小耐力赛

时间: 2016年12月14日 | 作者: Fernando Gomollón-Be | 来源: 环球科学
法国将举办一场在黄金赛道上进行的38小时纳米汽车耐力大赛。

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你听过勒芒24小时耐力赛吗。它是每年在法国南部小城勒芒举行的为期一天的汽车耐力赛。离开勒芒沿着路继续向南,可以抵达图卢兹,在这里,科学家正着手准备一个持续时间更长,完全史无前例的车赛。比赛并非在传统的赛道进行,而是在一个世界上最小的金制环型赛道上。这是迄今为止第一个纳米赛车比赛,nanorace。除了看上去很有趣以外,这次竞速有一个很严肃的科学目的:对一台最近安装的特殊扫描隧道显微镜进行测试。这次比赛也同时能让人们深入了解纳米汽车如何应对极端的环境。

 

法国国家科学研究中心(CNRS)的研究员Christian Joachim组织了这次比赛,他说:“多亏了扫描隧道显微镜的进步,我们现在有能力操纵单个原子,甚至分子。通过新型的四针尖显微镜,不同的研究者可以同时在同一表面上工作。这个技术最终能提升这种本来速度缓慢的仪器的运行速度。”这意味着4部纳米汽车可以同时分别被4个针尖驱动,各自独立“驾驶”。每个针尖上流出的电子成为纳米汽车的燃料,推动其前进。最终,移动最远的机器获得胜利。

 

大概一个月前,六支参赛队伍中的三支在图卢兹进行了一场热身赛。美国俄亥俄大学的研究员、俄亥俄山猫纳米车队的领队之一Éric Masson表示,他对使用这个四针尖的扫描隧道显微镜感到很兴奋。Éric Masson以前从来没在纳米汽车领域工作过,但是合成过其他的超分子。他决定将其中一些超分子组合起来,设计出自己的首款纳米汽车。“我们的设计融合了美学和实用性。我曾经研究过的大环分子可以用来做车轮,而准轮烷则可以用来充当刚性的轴承部件。”俄亥俄车队通过一种优雅的方式制造了纳米汽车:“我们将车的框架悬浮在水中,然后添加车轮,汽车一步一步进行自组装。当最后一个车轮安装完成后,汽车突然变成水溶性的,沉淀就会消失。按理讲纳米汽车结构的复杂程度预示着它的核磁共振谱图也会很复杂。但是Masson解释道,事实并不是这样,由于纳米汽车的对称性,核磁共振谱图比较干净,轮子装在了哪里是非常清楚的。

 

最轻量级比赛

 

日本国家材料科学研究所的研究员,日本NIMS-NAMA车队的负责人兼设计师Waka Nakanishi说:“比赛的目的是观察分子在这些特殊情况下的行为。我们组织这次比赛不仅仅是有趣,也想把我们的重要发现和世界分享。“她的团队面临的主要挑战是将纳米汽车放到金赛道上,最终通过扫描隧道显微镜成像。她对此很乐观,因为她们有成千上万个纳米汽车,如果其中的一个坏了,她们总有一个备用的来参加比赛。

 

We-Hyo Soe是日本车队的“车手”之一,也是在2012年创下世界最小可工作装置的吉尼斯世界纪录的保持者。他向化学世界(Chemistry World)解释了为什么比赛需要38小时。“因为我们必须将赛道保持在约5K(-268℃)的低温下,我们受到液氦罐容积的限制。”对于Soe来讲“赢得比赛并不是最重要的”,这一切都是为了更了解分子机器的行为。

 

然而,法国图卢兹纳米移动俱乐部(French Toulouse Nanomobile Club )的负责人Gwénaël Rapenne说:“比赛的目的就是为了胜利!开玩笑之余,真正的目标是运用这款世界上独一无二的新型四针尖扫描隧道显微镜。” Rapenne同时认为纳米汽车是一个寻找新的资金支持的极好机会:“我们不能再用公共资金在资助比赛这样的项目了,而且也很难找到私人公司来资助这项基础研究,因为这离应用还太遥远了。” nanorace已经获得了丰田、标志、米其林等公司的资助,Rapenne说,汽车企业的支持会帮助他们发展他们新的扫描隧道显微镜。法国队有两辆车,一个是他们过去设计的,模拟宏观器件的共价键组合纳米车,另一个是新设计的,被称为“小绿车”的弯曲纳米车,因为这个分子真的是绿色的,这样的形状能使其与赛道的相互作用最小化。Rapenne说,通过共价键组装的分子比通过自组装的纳米车更稳定,刚性更强,精确度也更高。他说,类似的分子构型可以在扫描隧道显微镜中保持六个月,极其稳定。

 

梦想中的机器

 

尽管比赛存在竞争,但是所有赛队的负责人一致认为,这项比赛对其科研领域的发展大有裨益。当2016年诺贝尔化学奖就是授予与他们研究的核心分子机器相关的研究时,很多人都极为兴奋。Rapenne说:“我为我的博士生导师Jean-Pierre Sauvage感到十分高兴。直到现在,很多人认为分子机器只能用来娱乐而没有真正的实际应用。诺贝尔奖却肯定了这个领域的重要性。”“这肯定会促进该领域的发展,”Soe说。

 

在英国南安普敦大学研究互锁分子和分子机器的Steve Goldup说:“纳米汽车或许能以一种与诺贝尔奖不同的方式激发人们对这个领域的兴趣,因为它的确是个简单的想法,人们制造很小的汽车然后用它们来竞速,每个人都能理解。”“有些想法很具有开拓性,其中的一些结构并不是真正的汽车,他们没有四个轮子,没有底盘和电机。”他补充说“我们都知道如何在宏观尺度上操纵物体,但是在纳米尺度上呢,在黄金表面呢?四针尖的扫描隧道显微镜才是真正的明星。这种成像技术不仅在可用于纳米技术,而且在生物技术上也能有所贡献,让这种技术快速发展是个很棒的想法。

 

Glodup又谈到:“在网站上设立投注看起来很酷,”这也是他最喜欢的部分,“我会投给瑞士的队伍,因为他们的设计很简单,有一点违反人类的直觉。德国的纳米风车看起来也不错。”

 

Masson说,比赛将在2017年4月27-29号举行。两轮排位赛后,四支赛队将进行最后的38小时比赛。每幅图像需要耗时5分钟来获取,这期间纳米汽车只能移动微小的3纳米。比赛肯定会设有车手的交换站,委员会也肯定会给参赛队伍安排休息场所。“但是考虑到可能有人想一直保持清醒,显微镜制造方给选手们提供了一个免费的咖啡壶!” Joachim开玩笑说。

 

撰文 Fernando Gomollón-Bel

翻译 田承硕

审校 董子晨曦

 

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/ldquo-nanocars-rdquo-gear-up-for-world-rsquo-s-most-amazing-molecular-race/


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