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只有在掃描隧道顯微鏡下才看得的世界最小耐力賽

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摘要:法國將舉辦一場在黃金賽道上進行的小時納米汽車耐力大賽你聽過勒芒小時耐力賽嗎它是每年在法國南部小城勒芒舉行的為期一天的汽車耐力賽離開勒芒沿著路繼續向南可以抵達圖盧茲在這里科學家正著手準備一個持續時間更長完全史無前例的車賽比賽并非在傳統的賽道進行而是在一個世界上最小的金制環型賽道上這是迄今為止第一個納米賽車比賽除了看上去很有趣以外這次競速有一個很嚴肅的

法國將舉辦一場在黃金賽道上進行的38小時納米汽車耐力大賽。

只有在掃描隧道顯微鏡下才看得的世界最小耐力賽

你聽過勒芒24小時耐力賽嗎。它是每年在法國南部小城勒芒舉行的為期一天的汽車耐力賽。離開勒芒沿著路繼續向南,可以抵達圖盧茲,在這里,科學家正著手準備一個持續時間更長,完全史無前例的車賽。比賽并非在傳統的賽道進行,而是在一個世界上最小的金制環型賽道上。這是迄今為止第一個納米賽車比賽,nanorace。除了看上去很有趣以外,這次競速有一個很嚴肅的科學目的:對一臺最近安裝的特殊掃描隧道顯微鏡進行測試。這次比賽也同時能讓人們深入了解納米汽車如何應對極端的環境。

法國國家科學研究中心(CNRS)的研究員Christian Joachim組織了這次比賽,他說:“多虧了掃描隧道顯微鏡的進步,我們現在有能力操縱單個原子,甚至分子。通過新型的四針尖顯微鏡,不同的研究者可以同時在同一表面上工作。這個技術最終能提升這種本來速度緩慢的儀器的運行速度。”這意味著4部納米汽車可以同時分別被4個針尖驅動,各自獨立“駕駛”。每個針尖上流出的電子成為納米汽車的燃料,推動其前進。最終,移動最遠的機器獲得勝利。

大概一個月前,六支參賽隊伍中的三支在圖盧茲進行了一場熱身賽。美國俄亥俄大學的研究員、俄亥俄山貓納米車隊的領隊之一éric Masson表示,他對使用這個四針尖的掃描隧道顯微鏡感到很興奮。éric Masson以前從來沒在納米汽車領域工作過,但是合成過其他的超分子。他決定將其中一些超分子組合起來,設計出自己的首款納米汽車。“我們的設計融合了美學和實用性。我曾經研究過的大環分子可以用來做車輪,而準輪烷則可以用來充當剛性的軸承部件。”俄亥俄車隊通過一種優雅的方式制造了納米汽車:“我們將車的框架懸浮在水中,然后添加車輪,汽車一步一步進行自組裝。當最后一個車輪安裝完成后,汽車突然變成水溶性的,沉淀就會消失。按理講納米汽車結構的復雜程度預示著它的核磁共振譜圖也會很復雜。但是Masson解釋道,事實并不是這樣,由于納米汽車的對稱性,核磁共振譜圖比較干凈,輪子裝在了哪里是非常清楚的。

最輕量級比賽

日本國家材料科學研究所的研究員,日本NIMS-NAMA車隊的負責人兼設計師Waka Nakanishi說:“比賽的目的是觀察分子在這些特殊情況下的行為。我們組織這次比賽不僅僅是有趣,也想把我們的重要發現和世界分享。“她的團隊面臨的主要挑戰是將納米汽車放到金賽道上,最終通過掃描隧道顯微鏡成像。她對此很樂觀,因為她們有成千上萬個納米汽車,如果其中的一個壞了,她們總有一個備用的來參加比賽。

We-Hyo Soe是日本車隊的“車手”之一,也是在2012年創下世界最小可工作裝置的吉尼斯世界紀錄的保持者。他向化學世界(Chemistry World)解釋了為什么比賽需要38小時。“因為我們必須將賽道保持在約5K(-268℃)的低溫下,我們受到液氦罐容積的限制。”對于Soe來講“贏得比賽并不是最重要的”,這一切都是為了更了解分子機器的行為。

然而,法國圖盧茲納米移動俱樂部(French Toulouse Nanomobile Club )的負責人Gwéna?l Rapenne說:“比賽的目的就是為了勝利!開玩笑之余,真正的目標是運用這款世界上獨一無二的新型四針尖掃描隧道顯微鏡。” Rapenne同時認為納米汽車是一個尋找新的資金支持的極好機會:“我們不能再用公共資金在資助比賽這樣的項目了,而且也很難找到私人公司來資助這項基礎研究,因為這離應用還太遙遠了。” nanorace已經獲得了豐田、標志、米其林等公司的資助,Rapenne說,汽車企業的支持會幫助他們發展他們新的掃描隧道顯微鏡。法國隊有兩輛車,一個是他們過去設計的,模擬宏觀器件的共價鍵組合納米車,另一個是新設計的,被稱為“小綠車”的彎曲納米車,因為這個分子真的是綠色的,這樣的形狀能使其與賽道的相互作用最小化。Rapenne說,通過共價鍵組裝的分子比通過自組裝的納米車更穩定,剛性更強,精確度也更高。他說,類似的分子構型可以在掃描隧道顯微鏡中保持六個月,極其穩定。

夢想中的機器

盡管比賽存在競爭,但是所有賽隊的負責人一致認為,這項比賽對其科研領域的發展大有裨益。當2016年諾貝爾化學獎就是授予與他們研究的核心分子機器相關的研究時,很多人都極為興奮。Rapenne說:“我為我的博士生導師Jean-Pierre Sauvage感到十分高興。直到現在,很多人認為分子機器只能用來娛樂而沒有真正的實際應用。諾貝爾獎卻肯定了這個領域的重要性。”“這肯定會促進該領域的發展,”Soe說。

在英國南安普敦大學研究互鎖分子和分子機器的Steve Goldup說:“納米汽車或許能以一種與諾貝爾獎不同的方式激發人們對這個領域的興趣,因為它的確是個簡單的想法,人們制造很小的汽車然后用它們來競速,每個人都能理解。”“有些想法很具有開拓性,其中的一些結構并不是真正的汽車,他們沒有四個輪子,沒有底盤和電機。”他補充說“我們都知道如何在宏觀尺度上操縱物體,但是在納米尺度上呢,在黃金表面呢?四針尖的掃描隧道顯微鏡才是真正的明星。這種成像技術不僅在可用于納米技術,而且在生物技術上也能有所貢獻,讓這種技術快速發展是個很棒的想法。”

Glodup又談到:“在網站上設立投注看起來很酷,”這也是他最喜歡的部分,“我會投給瑞士的隊伍,因為他們的設計很簡單,有一點違反人類的直覺。德國的納米風車看起來也不錯。”

Masson說,比賽將在2017年4月27-29號舉行。兩輪排位賽后,四支賽隊將進行最后的38小時比賽。每幅圖像需要耗時5分鐘來獲取,這期間納米汽車只能移動微小的3納米。比賽肯定會設有車手的交換站,委員會也肯定會給參賽隊伍安排休息場所。“但是考慮到可能有人想一直保持清醒,顯微鏡制造方給選手們提供了一個免費的咖啡壺!” Joachim開玩笑說。

撰文 Fernando Gomollón-Bel

翻譯 田承碩

審校 董子晨曦

(生物谷Bioon.com)

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