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分子馬達

--作者: fossil
< fossil@tomail.com.tw >

內容

前言
可轉動120度的有機分子
可轉動360度的分子馬達
結論
參考資料


前言

馬達,大家都知道吧!一種通電後可自行轉動的機械 裝置,電風扇的帶動就靠一個馬達,螺旋漿飛機、輪 船快艇等也是一樣,馬達加上齒輪組,就構成大部分 的機器。

那什麼叫做「分子馬達」?

答案很簡單,是一種能夠像馬達一般,在給予適當能 量後,做出單向轉動的化學分子。

這樣的「馬達」極小,尺寸是蚊子的一千萬分之一。

有了這麼小的馬達,再加上適當的配件,或許能夠做 出分子機器人,進入人體內去修補受損的DNA,或清除 血管壁上堆積的膽固醇。

1959年,當大部份科學家都在思考「大」問題的時候, 一位諾貝爾物理獎得主Richard P. Feynman卻從「小」 問題著手,開創了一門新的研究領域。那些「大」問題 指的是星際之旅,登陸月球,太空計畫;而那個「小」 問題指的是 毫微科技 (注一)」(nanotechnology)。四十年來, 世界上的物理學家、化學家、分子生物學家及電腦專家 紛紛投入,有人是「從上到下」,把已有的物件縮小再 縮小,如康乃爾大學製出十微米長的毫微吉他(nanoguitar) ,大小和人體的白血球差不多。也有人採取「由下而 上」的方式,先做出零件,再組合成機器,分子馬達就 是一例。

這項成果是由荷蘭Groningen大學的Ben Feringa、日本 Tohoku大學的Nobuyuki Harada及美國Boston學院的Ross Kelly所領導的三個研究小組所完成,並發表於1999年9月 9日出刊的自然雜誌上。


可轉動120度的有機分子

Ross Kelly研究小組合成出能做120度轉動的有機分子。 她們是從失敗中學習,之前合成的分子能夠轉動,但不能 控制方向,稍加修飾後,問題解決了。

失敗的最初

最初的馬達有如三葉水車(triptycene部分),外加一個煞 車組([4]helicene部分),二者之間以碳-碳單鍵相連。

一般碳-碳單鍵的兩端是可以自由轉動的,轉動軸即為單鍵 本身,所需能量約為3-5 Kcal/mol。這個分子也不例外,可 以繞著碳-碳單鍵轉動,然而由於兩端所佔空間較大,所需 能量較高,約25 Kcal/mol。此外,轉動不是沿單一方向, 順時針及逆時針方向皆可動。

改良後的成果

改良的做法是在水車及煞車上各加一個「鉤子」,再加入 「燃料」(ClCOCl),使兩者自動連結,帶動水車轉動120度 ,然後停住,如圖一至圖六所示。


圖一、水車、煞車端的「鉤子」( NH2、O(CH2) 3OH) 及「燃料」(ClCOCl)


圖二、水車上的鉤子發生變化(由 NH2 變為 N=C=O)


圖三、水車些微轉動,兩端鉤子接近


圖四、鉤子相接


圖五、帶動水車轉動120度(注意藍色部份的位置)


圖六、加入試劑 (NaBH(OEt)3) 使鉤子分開,水車停止轉動

這個分子雖不能如馬達一樣地轉360度,但展示出利用化 學能讓有機分子做單一方向轉動的可能性。


可轉動360度的分子馬達

Feringa及Harada共同建立了可連續轉動的元件,其做法 是先用紫外光讓分子轉180度,並處於較高能量狀態,之 後控制溫度,使分子改變立體結構,達到較穩定的狀態, 此過程為不可逆反應,故轉動只會沿單一方向進行,同樣 過程再重覆一次,即完成360度轉動,如下圖所示。

符號說明:

第一步, (P,P)-trans -> (M,M)-cis

第一步的照光反應是可逆的。 在攝氏零下55度,用波長280 nm的紫外光照射反應瓶, 大部份的(P,P)-trans-1會轉變成(M,M)-cis-2。達到平衡 時,反應瓶中以(M,M)-cis-2為主,且仍在互相轉換 ,即(P,P)-trans-1仍在轉變成(M,M)-cis-2,同時(M,M)- cis-2也在轉變成(P,P)-trans-1,只是轉換速率相同,使 比例維持(M,M)-cis-2/(P,P)-trans-1=95/5。若改以380 nm 波長紫外光照射,反應瓶中會以(P,P)-trans-1為主。

上述反應產生了三項變化:一是180度轉動,由trans變為 cis;二是螺旋構形反折,由P變為M;三是甲基由軸向(Meax) 變為赤道向(Meeq)。變化一是分子上半部繞著 中央雙鍵旋轉的結果;變化二、三是六員環椅形結構改變 造成。上方三個相連的六環在180度旋轉後應該變為朝 紙面下,受到椅型結構改變,又回到紙面上,成為M形螺旋; 同理,下方三個相連的六環並未轉動,應在紙面之上,但受 到椅型結構改變,就跑到到紙面下,也成為M形螺旋。至於上 方Meeq朝下而下方Meeq朝上,是因為 它不受椅型結構改變所影響,原本朝上的,依然朝上,上方 Meeq是因轉動180度而變成朝下。

從側面對著雙鍵方向來看,可用上圖A1、B1來示意此變化情 形,轉動的淨效應相當於使分子繞著雙鍵旋轉約90度(C1)。

第二步, (M,M)-cis -> (P,P)-cis

在攝氏20度下,用波長280 nm的紫外光照射反應瓶,所有 的(P,P)-trans-1都轉變成(P,P)-cis-2,然而實驗證據顯示 這項變化並非直接發生,而是經由(M,M)-cis-2轉變過去, (P,P)-trans-1與(P,P)-cis-2之間無法直接轉換。

(P,P)-trans-1在照光後先變成(M,M)-cis-2,(M,M)-cis-2 可能變回(P,P)-trans-1,也可能變成(P,P)-cis-2,但(M, M)到(P,P)的螺旋反轉是不可逆的,即(M,M)-cis-2變為(P,P)- cis-2後就變不回來了,在攝氏零下50度時,螺旋反轉無法 發生,所以能夠達到平衡,反應瓶中有(M,M)-cis-2也有 (P,P)-trans-1。攝氏20度時,(M,M)-cis-2能夠變成(P,P)- cis-2,且一變過去就變不回來,(P,P)-trans-1一直反應 成為(M,M)-cis-2,(M,M)-cis-2再螺旋反轉成(P,P)-cis-2, 因此(P,P)-trans-1愈來愈少,終至完全轉變成(P,P)-cis-2。

此步轉換的淨效應也是使分子繞著雙鍵旋轉約90度(C2)。

第三步, (P,P)-cis -> (M,M)-trans

第三步和第一步一樣,是照光反應,使分子沿轉動軸作180 度旋轉,同時產生螺旋反轉,這步也是可逆的,平衡時(M,M)- trans-1與(P,P)-cis-2的比例為90:10,整個轉變的淨效應是 使分子又做了90度的旋轉。

第四步 (M,M)-trans -> (P,P)-trans

第四步是在攝氏60度下,使(M,M)-trans-1螺旋反轉,成為 (P,P)-trans-1,同樣地,此乃不可逆反應,只能單向進行 。淨效應也是一個90度的旋轉。

結果

綜合以上所述,若把反應條件設在攝氏60度以上,則四個步 驟可連續進行,成為一個順時針轉動的分子馬達(如上示意 圖C1->C2->C3->C4)。


結論

此處所介紹的分子馬達仍相當原始,甚至算不上是馬達,距離 分子機器人的階段仍十分遙遠,但畢竟已是一大突破。能夠旋 轉的東西都具有對稱的結構,而分子結構中的不對稱中心卻是 上述二者成功的共同原因,找到了使分子單向轉動的機制,可 預期未來會有更多「分子馬達」陸續問世(逆時針轉動的馬達 在理論上完全可行),且功能也將日漸精進,「分子法拉利」終 將有問世的一天。


參考資料

本文取材自
Discovery online Brief 990909
Nature, 401, 150-152;
Nature, 401, 152-155。

註釋


1. 關於「毫微科技」:
nano是指十億分之一,可翻譯成「毫微」(意譯)或「奈」 (音譯,大陸譯成「納」),在科學月刊第351期(1999三月號) 有nanotechnology專輯,並譯為「毫微科技」,此處採用之, 專輯中除對名詞有進一步的解釋外,也有一些「從上到下」的 實例。

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