黄金跑道，分子赛车

谈到赛车，脑海里是不是马上蹦出类似“F1”、“拉力赛”、“弯道超车”、“漂移”这些词汇，还有下面这类画面？

图片来源：电影《速度与激情8》

就在这几天，法国南部城市图卢兹正举办一次特殊的“汽车比赛”，来自三大洲的六支代表队将在这里展开激烈的角逐。不过，让人目瞪口呆的是，参赛“车辆”并非司空见惯的豪华跑车，而是微小的“纳米赛车”。作为分子级“超迷你车”，在36小时内，它们将“奔驰”在总长为100纳米（仅为人的头发直径的千分之一）的金箔“赛道”上。必须指出，赛场的环境绝对令你印象深刻——处在真空中，且温度低至零下二百多摄氏度。

参加“纳米汽车大赛”的“车手”。图片来源：Hubert Raguet / CEMES / CNRS Photothèque

该项赛事组织者之一、法国材料分析与结构研究中心化学家Christian Joachim不无骄傲地表示，作为世界上首次“纳米赛车”大比拼，本项赛事必将被载入史册，重新唤起公众对纳米技术和分子机器的热情。说起来，Joachim之所以会冒出举办此次特殊赛事的念头，得归功于与某位记者大人的一席谈话，正是在此次谈话之后，Joachim意识到比起埋头搞基础研究，举办一场“纳米汽车大赛”更能吸引公众的注意力。

实际上，除了抢眼球，这项比赛有着更多的科学价值，可以使科学家对分子与表面的相互作用有着更为深入的了解。从实用角度而言，无论是协助设计催化剂，还是服务于在分子层面运载“货物”（或信息）这样的远景目标，该赛事均意义非凡。Joachim兴奋地说道：“在这项名副其实的大型赛事上，我们期待着选手们尽展风姿。”

“纳米赛车”群英谱。图片来源：www.nanocar-race.cnrs.fr

不过，实事求是的说，“纳米赛车”这个名字并不是很恰当，原因竟然是——这些“分子级赛车”并没有引擎（虽然Joachim表示以后说不定会有）！更夸张的是，连这些小家伙是不是真能像车子一样往前滚动也是个问题：一些“赛车”或许行，但其他一些连车轴和轮子都没有。那么，现在问题出来了，没有了引擎，这些“车子”怎么往前跑啊？别担心，这里有扫描隧道显微镜探针发射出的电子助它们一臂之力，一般每次能将其往前推进0.3纳米——好吧，这样来看，100纳米的赛道显得还挺长的。

在这里得交代一下，对于参赛者而言，它们不能直接利用扫描隧道显微镜探针发射的电子推动。有鉴于此，各路高手各显神通。一些代表队在设计分子时巧施奇招，使其能够利用电子提高能级，进而引发振动或改变分子结构，使“车子”往前跑。还有一些代表队则盯上了电子的静电排斥力，以之为主要驱动力。Waka Nakanishi是日本材料科学研究所的一位有机化学家，他设计的“纳米赛车”有“双翼”，有点像蝴蝶的翅膀，这样当“车子”接收到探针发射出的电子提供的动力时，就能够“振翼”前行。

“风车”形纳米赛车的移动。图片来源：CEMES / CNRS

Eric Masson是俄亥俄大学的一位化学家，他所在团队参与本项赛事的目的很简单，就是想看看所设计的“赛车”的“轮子”能否在赛道上滚动起来（实在不行的话，滑行也凑合）。“我们希望能更深入地了解分子与表面的相互作用机制。”Masson如是说。

本项赛事还有一大看点，那便是每隔一段时间，在扫描隧道显微镜等设备的帮助下，各参赛团队会把“纳米赛车”的表现做成视频，放到网上供大家观看，几乎称得上是现场直播了！

其实，化学家们此前已经造出过带有“轮子”、“车轴”、“引擎”等的“纳米汽车”。2016年，诺贝尔化学奖就被授予了分子机器的缔造者们，引发了人们的极大关注（点击阅读详细）。不过，Joachim表示，那几位诺贝尔化学奖得主的工作主要是围绕溶液中的大量分子展开的，而本项赛事的研究者们则把注意力放在了单分子与固体表面的相互作用上。当然，在纳米尺度，由于静电力占据主导地位，热振动会使得分子不停摇晃。所以，与现实生活中那些真正的汽车相比，这些“纳米赛车”的表现往往出人意料，各位看官可得有个心理准备。

虽然赛程艰苦，我们仍希望各参赛“车辆”尽展所能，风一般奔驰在黄金赛道上！

编译自：https://www.nature.com/news/drivers-gear-up-for-world-s-first-nanocar-race-1.21845

X-MOL材料领域学术讨论QQ群（338590714）