诺贝尔化学奖宣讲省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

化学工程化学工程曹星星曹星星第1页(Jean-Pierre Sauvage)(J.Fraser(Bernard L.Feringa)诺贝尔化学奖第2页第3页人物介绍人物介绍第4页让让皮埃尔皮埃尔索维奇索维奇 让-皮埃尔索维奇（Jean-Pierre Sauvage），男，1944年出生于法国巴黎，法国化学科学家，斯特拉斯堡大学教授。年10月5日，因在分子机器设计与合成方面突出贡献，取得年诺贝尔化学奖。第5页J.弗雷泽弗雷泽斯托达特斯托达特詹詹姆姆斯斯弗弗雷雷泽泽斯斯托托达达特特，1942年年出出生于英国爱丁堡。生于英国爱丁堡。1964年，在爱丁堡大学取得学士学位。年，在爱丁堡大学取得学士学位。1966年，在爱丁堡大学取得博士学位。年，在爱丁堡大学取得博士学位。1967年年赴赴加加拿拿大大女女王王大大学学国国家家研研究究委委员员会，担任博士后研究员。会，担任博士后研究员。1970年年在在谢谢菲菲尔尔德德大大学学担担任任帝帝国国化化学学工工业项目研究员及化学讲师。业项目研究员及化学讲师。1978年年担担任任加加州州大大学学洛洛杉杉矶矶分分校校高高级级访访问学者。问学者。1982年在爱丁堡大学取得理学博士学位。年在爱丁堡大学取得理学博士学位。第6页伯纳德伯纳德L费林费林加加荷荷兰兰合合成成有有机机化化学学家家，出出生生于于1951年年，他他于于1978年年在在荷荷兰兰格格林林罗罗根根大大学学取取得得博博士士学学位位，现现任任格格林林罗罗根根大大学学化化学学系系教教授授、荷荷兰兰科科学学院院副副院院长长。他他研研究究兴兴趣趣包包含含立立体体化化学学、有有机机合合成成、非非对对称称催催化化、分分子子开开关关及及机机器器、自自组组装装及及分分子子纳纳米米系统。系统。第7页获奖理由获奖理由 这三位化学家成功研发了这三位化学家成功研发了“世界上最小机器世界上最小机器”，比头发要小，比头发要小10001000倍。这是可控分子，这些倍。这是可控分子，这些“分子机器分子机器”一旦被施加能量后，就能够完成预一旦被施加能量后，就能够完成预先设定好任务。诺贝尔委员会在公告里称赞道：先设定好任务。诺贝尔委员会在公告里称赞道：“获奖者们实现了该机器微型化，并把化学带获奖者们实现了该机器微型化，并把化学带入了一个新领域。入了一个新领域。”第8页出色美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德出色美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德费曼先生，费曼先生，曾经在曾经在19841984年提出了一个问题：年提出了一个问题：“制造极其微小、有可制造极其微小、有可移动部件机器可能性有多大？移动部件机器可能性有多大？”而年诺贝尔化学奖则很好地回答了这个问题：人类当前已经能够做出相当于头发丝直径千分之一大小机器。那那么登上诺贝尔领奖台分子么登上诺贝尔领奖台分子机器终究什么来头？制造这机器终究什么来头？制造这号称世界上最小机器终究有号称世界上最小机器终究有多大难度？它又能够为人类多大难度？它又能够为人类带来怎样福音呢？下面就让带来怎样福音呢？下面就让我们走进分子机器微妙世界。我们走进分子机器微妙世界。第9页这个这个“机器机器”不简单不简单一提到机器，我们首先都会联想到金属材一提到机器，我们首先都会联想到金属材质大型机器。然而我们这里要讲分子机器，质大型机器。然而我们这里要讲分子机器，是指由分子尺度物质组成、能行使某种加是指由分子尺度物质组成、能行使某种加工功效机器，其构件主要是蛋白质等生物工功效机器，其构件主要是蛋白质等生物分子。简单地说，分子机器就是由三位科分子。简单地说，分子机器就是由三位科学家经过人工创造一个比纳米尺度还小新学家经过人工创造一个比纳米尺度还小新物质。这种分子尤其小，是以原子为材料，物质。这种分子尤其小，是以原子为材料，能够称之为当前世界上最小机器。这种能够称之为当前世界上最小机器。这种“世界上最小机器世界上最小机器”是在分子层面上设计开是在分子层面上设计开发出来机器，能够进行可控运动，在向其发出来机器，能够进行可控运动，在向其充能时可移动执行特定任务。诺贝尔奖委充能时可移动执行特定任务。诺贝尔奖委员会表示，分子机器将最有可能应用于开员会表示，分子机器将最有可能应用于开发新材料、传感器和能量存放系统。发新材料、传感器和能量存放系统。第10页“三步走三步走”造出分子机器造出分子机器作作为为世世界界上上最最小小机机器器，实实现现纳纳米米尺尺度度上上驱驱动动与与空空寂寂，难难度度可可想想而而知知。相相较较于于技技术术操操作作上上高高难难度度，分分子子机机器器设设计计原原理理就就简简单单许许多多。通通常常，分分子子是是由由原原子子间间形形成成共共价价键键组组成成，比比如如两两个个氢氢原原子子和和一一个个氧氧原原子子由由共共价价键键连连接接形形成成水水分分子子。不不过过，分分子子机机器器却却是是在在非非共共价价键键弱弱相相互互作作用用力力下下由由不不一一样样构构筑筑基基元元组组装装而而成成，就就像像堆堆积积木木，不不一一样样形形态态积积木木组组合合成成不不一一样样结结构构，而而后后经经过过化化学学反反应应使使这这种种结结构构稳稳固固下来。下来。那那么么，科科学学家家又又是是怎怎样样一一步步一一步步实实现现了了分子机器组装呢？分子机器组装呢？第11页让-皮埃尔索维奇把分子聚集在一个铜离子周围他研究组构建了一个环状分子和一他研究组构建了一个环状分子和一个新月形分子，并使这两种分子能个新月形分子，并使这两种分子能够被铜离子吸引；铜离子作为凝聚够被铜离子吸引；铜离子作为凝聚力让这些分子呆在一起。接下来，力让这些分子呆在一起。接下来，研究组利用化学伎俩将新月形分子研究组利用化学伎俩将新月形分子和另一个分子和另一个分子“焊接焊接”到一块，这到一块，这么一来，另一个环就形成了么一来，另一个环就形成了它它与之前环状分子组成了锁链第一个与之前环状分子组成了锁链第一个环扣。这时，研究者能够移走已经环扣。这时，研究者能够移走已经完成任务铜离子。完成任务铜离子。让让-皮埃尔皮埃尔索维索维奇很快意识到分子锁链（称为奇很快意识到分子锁链（称为“索索烃烃”，catenanes）并不只是一类）并不只是一类新分子。他认识到自己已经迈出了新分子。他认识到自己已经迈出了创造分子机器第一步。创造分子机器第一步。第12页弗雷泽斯托达特：把一个分子环串到了一个分子轴上斯托达特开发出了让他取得度诺贝尔奖分子，利用正是分子间相互吸引。1991年他团体造出了一个开环，上面缺乏电子；还造出一根长棒（轮轴），这根轴上有两处富集电子。当这两种分子在溶液中相遇时，缺电子那个就会被有电子那个吸引，于是环被套进了轴上，接下来把环加以闭合，让环不会掉下来。于是他们以极高产率得到了“轮烷”：一个环状分子以机械作用套在一个轴上。第13页1994年，斯托达特改进了他设计，年，斯托达特改进了他设计，让链状分子两端分别带有不一样让链状分子两端分别带有不一样结合位点，这一新分子穿梭机在结合位点，这一新分子穿梭机在水溶液中试验成功。改变溶液酸水溶液中试验成功。改变溶液酸碱度，能够让环状分子在位点间碱度，能够让环状分子在位点间实现可逆往返移动，使得该实现可逆往返移动，使得该“穿穿梭机梭机”在某种程度上变成了一个在某种程度上变成了一个可逆型开关。这种可逆型开关在可逆型开关。这种可逆型开关在未来不但可用于制造热敏、光敏未来不但可用于制造热敏、光敏或是感受特定化学物质传感器，或是感受特定化学物质传感器，还可用做体内纳米级药品载体开还可用做体内纳米级药品载体开关，在正确时间和地点释放药品。关，在正确时间和地点释放药品。第14页费林加：建造了第一个分子马达费林加：建造了第一个分子马达而费林加则完成了第三步，成功开发而费林加则完成了第三步，成功开发出了世界上第一个分子马达。出了世界上第一个分子马达。1999年，年，费林加创造出了能够向同一个方向不费林加创造出了能够向同一个方向不停旋转分子转子叶片：它含有两个相停旋转分子转子叶片：它含有两个相同叶片单元，当分子被暴露在紫外线同叶片单元，当分子被暴露在紫外线光脉冲下，一个动叶片围绕中间双键光脉冲下，一个动叶片围绕中间双键跳了跳了180度。然后，棘轮移动到指定位度。然后，棘轮移动到指定位置。伴随下一个光脉冲带来，动叶片置。伴随下一个光脉冲带来，动叶片又跳了又跳了180度。如此连续下去，分子马度。如此连续下去，分子马达就会朝同一个方向旋转起来。现在达就会朝同一个方向旋转起来。现在他研究小组已经将其优化，转速可达他研究小组已经将其优化，转速可达每秒每秒1200万转。利用分子马达，他驱万转。利用分子马达，他驱动了一个动了一个28微米长、比马达本身大微米长、比马达本身大1万万倍玻璃圆筒。倍玻璃圆筒。第15页年时，研究组还制造了一个四轮驱动纳米车，一个分子底盘将四个马达联结在一起，看成车轮使用。当车轮旋转时，纳米车就在表面上向前行驶。第16页前景展望前景展望科学家们表示，未来分子机器应用前景将是科学家们表示，未来分子机器应用前景将是“无限无限”：分子机器能够搭：分子机器能够搭载药品，进行药品定点准确释放；它还能够成为微小存放单元，进行高载药品，进行药品定点准确释放；它还能够成为微小存放单元，进行高密度存放等。密度存放等。科学家认为，分子机器诞生是一次含有深远意义革命，很有可能做出在科学家认为，分子机器诞生是一次含有深远意义革命，很有可能做出在血管中流动机器人，然后找到恶性肿瘤组织，释放治癌药品，彻底攻克血管中流动机器人，然后找到恶性肿瘤组织，释放治癌药品，彻底攻克癌症。除了能够用于治疗疾病，考虑到分子机器大小仅有头发粗细千分癌症。除了能够用于治疗疾病，考虑到分子机器大小仅有头发粗细千分之一，还能够将其置于体内监测人体健康情况，应用于预防疾病等方面。之一，还能够将其置于体内监测人体健康情况，应用于预防疾病等方面。从发展角度看，现在分子马达就相当于从发展角度看，现在分子马达就相当于1830年代电动马达，那时研究者年代电动马达，那时研究者会在试验室里骄傲地展示各式各样旋转曲柄和动轮，而丝毫不知这些东会在试验室里骄傲地展示各式各样旋转曲柄和动轮，而丝毫不知这些东西将导向电动火车、洗衣机、风扇和食物处理器。西将导向电动火车、洗衣机、风扇和食物处理器。第17页THANK YOUTHANK YOU第18页