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- 564期－2016諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2016-12-01諾貝爾化學獎 分子轉輪與分子馬達
564 期
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邱俊瑋／畢業於國立臺中一中、國立臺灣大學化學系，現就讀國立臺灣大學化學研究所碩士班，師從楊吉水教授。楊吉水／美國西北大學博士，美國麻省理工博士後研究，現為臺大化學系教授。
現代人的生活器具強調輕量化、多功能，器具的體積越小越好，功能則是越多越好。以手機為例，行動電話剛問世時，有著厚重機身及外殼，功能僅限於撥打電話；但隨著時間演進，現在的智慧型手機不僅短小輕薄，拍照、上網等功能也一應俱全，忠實體現科技產品發展的趨勢，也反映了人們對於生活的期望。然而，隨著3C產品越做越小，積體電路製程要求則越精密，這樣的發展方向終究會遭遇到物理上的極限，也就是當物體尺度小至原子、分子的層級時，巨觀世界裡的機械力學概念已不再適用。因此，科學家轉而思考：能否直接運用分子來建構分子大小層級的器械呢？這個目標很明顯地須仰賴化學家在分子結構設計、合成與性質操控方面的精進方能達成。
2016年諾貝爾化學獎頒給了三位有機化學家，分別是法國籍的沙瓦吉（Jean-Pierre Sauvage）、蘇格蘭籍的斯托達特（Sir James F. Stoddart），以及荷蘭籍的費林加（Bernard L. Feringa），以表彰他們在分子機械 （molecular machines）領域的成就與貢獻。沙瓦吉的貢獻主要在於鏈烷類（catenanes）的合成，展示了分子結構可以不必經由化學鍵結支撐，如同日常生活裡的扣環；斯托達特設計的輪烷類（rotaxanes）化合物結合了沙瓦吉非鍵結作用力的概念，形同套掛在桿子上的扣環，藉由調控扣環在桿子上的位置來模仿電梯的上下移動或生物體肌肉的伸縮運動；而費林加設計的分子轉輪則是自成一派，在紫外光照射下，轉輪分子可周而復始地進行單方向的旋轉，成為原型分子機械如分子汽車的馬達。以下帶領讀者進入分子機械的世界，並說明分子馬達是如何誕生的。
分子開關與分子馬達
分子機械系統可以分為兩大類：分子開關（molecular switches）和分子馬達（molecular motors）。一個分子開關（圖一）是指具有兩種或以上的狀態與性質的分子，分子在這些狀態之間的轉換如同一項器械在開與關兩種狀態間切換一般。狀態切換所需的外加能量型式可以很多元，包括常見的光能、電能和化學能。例如：酸鹼指示劑可以視為一種由化學能（酸和鹼）調控的分子開關，它在不同的酸鹼值中會有不同的鍵結情形與電子分佈狀態，進而表現出不同的顏色。沙瓦吉和斯托達特的輪烷類分子開關系統中，有兩個或以上的位置可供扣環單元停留（類似車站的概念），能量的輸入可使扣環在不同停留站間「移動」和轉換。至於分子馬達系統，如同巨觀世界由電力或汽油燃燒驅動的馬達一般，分子內的轉輪會藉由能量輸入而進行特定方向的旋轉。自然界中的ATP合成酶便是一種分子馬達，藉由質子的化學位能差來促使酶中轉輪旋轉而合成ATP。費林加的光能操控分子馬達可以說是現今最成功的人造分子馬達系統，他獲頒諾貝爾獎，實至名歸。現實生活中的馬達如汽車引擎，其功能為推動車輪旋轉，轉速和方向的控制是汽車運作兩大關鍵。那麼，同樣的功能和控制在分子世界裡是否可能實現呢？
圖一：（a）分子開關示意圖，藉由能量輸入調控扣環停留在綠色或橘色的位置。（b） 分子馬達示意圖，藉由能量輸入驅動單一方向的旋轉運動，可作功。
分子轉速控制─分子剎車
分子世界裡所有事件發生的速率都和能量障礙（energy barrier，以下簡稱為能障）有關，這與化學反應速率和活化能大小相關的概念類似，能障越高的事件，其發生的速率就越小。……【更多內容請閱讀科學月刊第564期】