第二届国际纳米赛车大赛（Nanocar Race）开始报名了！

中科院物理所

第二届国际纳米赛车大赛（Nanocar Race）将于2021年在法国图卢兹（Toulouse, France）举行。本次比赛由欧盟MEMO（Mechanics with Molecules）项目支持，由Dr. Francesca Moresco指导并由包括中国在内的国际组委会组织。比赛的预报名现在已经开启，并将于今年6月底截止。

国际Nanocar大赛（国际纳米赛车大赛）的最初想法十分有趣而又简单：设计一种纳米尺度的具有精密结构的单分子结构，在特定的金属表面用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）表征，并用某种特定的方法（STM针尖施加的非弹性隧穿电流、分子偶极矩，或光激发等）作为动力，使目标分子走完一段距离，用时最短者获胜。Nanocar大赛用一种非常有趣的方式推动了分子尺度上的分子结构和动力学的研究。

第一届国际Nanocar大赛已经成功地于2017年4月28日至29日在法国南部城市图卢兹（Toulouse, France）举行，引起了各国媒体，科学家和普通民众的广泛兴趣。这场为其两天的精彩比赛在YouTube上直播，吸引了超过十万人次的在线观看。

第一届国际Nanocar大赛

在第一届比赛中，比赛规定最长用时为36小时，赛程包括两次定向转弯和一次冲刺，并且禁止冲撞别的参赛队伍的纳米赛车。比赛是在法国图卢兹国家研究中心（CEMES，CNRS）一台精致的超高真空低温（液氦温度，4.2 K）四探针扫描隧道显微镜中举行，赛道为原子级平整和清洁的Au(111)表面——被称为“黄金赛道”。特殊的四探针结构只能允许最多四辆纳米赛车同时在同一块“黄金赛道”上比赛，六支队伍中的两支——俄亥俄山猫队和美国-奥地利纳米大奖赛队——被允许在自己实验室的金属基底上进行比赛，但必须在图卢兹远程操作。

紧张的比赛现场

比赛过程中，六支队伍用计算机远程操纵各自的扫描探针，并用光电脉冲驱使纳米赛车。参赛队伍首先要清理黄金赛道上的杂物，并让赛车就位——这一过程就花了 6 个小时。然后，参赛队伍用扫描探针瞄准纳米赛车发射脉冲作为动力让赛车前进，并且不能让探针碰到纳米车。一次脉冲可以令纳米赛车前进0.3纳米，所以整个过程需要发射数百次脉冲。

主场作战的图卢兹第三大学的绿色婴儿车设计有四个车轮的结构，车身巨大，由一个连一个的芳环骨架构成，轮子则是四个三蝶烯结构，三个叶片绕轴旋转。法国队希望绿色婴儿车将来能运输碳60（C60），所以才把车身做大。

东道主图卢兹的纳米赛车

俄亥俄大学（Ohio）山猫纳米车的车身虽然比绿色婴儿车轻便，但受累于它的四个轮子，4-苯基吡啶外部围绕着巨大的葫芦脲结构，但并没有化学键将其连接——这也是为什么它会像开头提到的那样脱落。而巨大的轮子使得山猫纳米车比绿色婴儿车要重上 4 倍。

俄亥俄大学的纳米赛车

另外三个根本不像车的分子车则上演了一出小马过河，各自显示了结构选择的重要性。

瑞士巴塞尔大学(Basel)的瑞士纳米改装车跳出了桎梏，根本没有做车轮。团队利用了分子间的弱相互作用力来减少摩擦，让赛车像磁悬浮一样在赛道上前进，因此在黄金赛道上勇夺第一。

瑞士巴塞尔大学的纳米改装车

德国德累斯顿工业大学（Dresden）的纳米赛车像是一架风车，四个乙烯基联苯通过氢键连接成风车的形状，因为结构对称，它不需要特意转向，每个方向都是前方。也正因如此，走直线对它来说似乎有点困难。

德国德累斯顿工业大学的纳米风车赛车

日本国家材料研究中心(Tsukuba)的材研魔力赛车有点像平衡车，但车轮并不能转动，只能像毛毛虫一样蠕动，好在绿色婴儿车在起跑线出了故障，让日本队不至于垫底。尽管如此，日本国家材料研究中心的化学家还是对以新方式探索这种分子的前景感到兴奋——不仅仅是科学上的合作，团队也得到了丰田的赞助。

日本国家材料研究中心的纳米赛车

比赛开始后，来自莱斯大学的美国-奥地利队（Rice-Graz）的赛车“偶极竞速者”一马当先，约一个半小时就结束了比赛，时速达到了每小时95纳米。由于测试中在金（Au(111)）赛道上车速非常快，团队甚至无法捕捉到小车的前进，因此，他们获准使用了银制的赛道（Ag（111）表面），这种赛道对分子车有更强的表面吸附作用，可以降低车速。即使这样，他们的车速仍然很快，特别向主办方申请将起跑线提前了50纳米。

冠军美国-奥地利队的纳米赛车

Nanocar Race赛事的倡议者和创始人，国际著名的分子电子学科学家，组委会主席Christian Joachim教授介绍说，“偶极竞速者”的分子结构在金赛道上不够稳定，这才是更换赛道的原因。英国南安普顿大学研究分子机器的化学家 Steve Goldup没有参加这次比赛，他提出了偶极竞速者获胜的关键：队伍在分子量最小的情况下，让分子的极性最大，这样可以最大限度地利用电脉冲产生的力。

基于“偶极竞速者”赛道有所改变的考虑，主办方把黄金赛道上的第一名——瑞士巴塞尔大学（Basel）的“瑞士纳米改装车”列为并列冠军，后者在约5小时内在金表面完成了133纳米的里程。

其它四支队伍则表现出重在参与的气度。其中两辆分子车成功值回票价——法国纳米车俱乐部队的“绿色婴儿车”和日本国家材料科学研究所材研魔力队的“材研魔力车” 因为结构太臃肿，几乎没怎么动。另外两辆赛车——俄亥俄山猫和德国纳米风车公司队的“风车”也没有在规定时间内跑完全程，分别只跑了45和11纳米。

最后，美国-奥地利(Rice-Graz)和巴塞尔大学(Basel)代表队获得了并列第一，俄亥俄大学(Ohio)代表队获得第三，德国德累斯顿大学(Dresden)代表队获得第四，日本国家材料研究中心(Tsukuba)代表队获得最公平比赛奖，东道主图卢兹(Toulouse)代表队获得最佳图像奖，为期两天的紧张比赛圆满结束。

比赛结果一览表

纳米赛车比赛不仅是一场比赛，也是对分子机器的性能测试和控制实验。这是分子机器的一大步，将来更复杂的分子机器，也将建立在这些技术基础之上。未来几十年中，分子机器将有望在单分子的尺度上，用于组装电路、分解垃圾或是捕获能量等。2016年的诺贝尔化学奖就授予了分子机器的先驱者们。

比赛冠军美国-奥地利队的领队、莱斯大学的化学家James Tour教授说，“这是一个开端，预示着纳米层级对障碍物与速度的控制，并将为更快的速度铺平道路，最终做到货物运输和从局部到整体的装配。”

关于第二届Nanocar比赛，组委会定于2021年仍然在法国图卢兹（Toulouse, France）举行。本次比赛将由欧盟MEMO（Mechanics with Molecules）项目支持，由Dr. Francesca Moresco指导并由包括中国科学家（高鸿钧院士，中国科学院物理研究所）在内的国际组委会组织。

Christian Joachim教授介绍说，Nanocar Race的发展目标是将成为在纳米世界的一级方程式（F1）锦标赛，除了需要有各国科学家的热情和参与，这也将是非常棒的面向普通民众的科普活动。第二届比赛组委会已经与国际汽联FIA签订了合作意向，并开展了在全球寻找赛事和各车队的冠名赞助商。他期望能够有中国的科学家和车队参与进来，来共同推进该领域的科学研究和科普教育。

与第一届不同的是，所有参赛队伍将在法国图卢兹用计算机远程控制的方法同时异地开始比赛，比赛全程仍将在YouTube上直播。另外，除了超高真空低温环境下的比赛之外，还增添了新比赛项目——在室温大气环境下的纳米赛车。

比赛的预报名现在已经开启，并将于今年6月底截止（请点击阅读原文转跳至报名网站）。

希望我们广大科研工作者能集结一支或多支中国代表队参赛，参与到这项激心动魄的大赛中来！