很多年以前,在美丽的荷兰小乡村,少年费林加拥有一座小小的化学实验室。

这是他在化学王国里的第一块自己的领地,通向科学的冒险之旅就此启程。他在那里亲手合成化合物,观察漂亮的晶体。

至于几十年后获得诺贝尔奖,是少年费林加压根没想过的事情。

5月10日上午,复旦大学相辉堂,荷兰科学家伯纳德·卢卡斯·费林加(Bernard Lucas Feringa)在第六期“浦江科学大师讲坛”上分享了他的研究故事以及学术与创新的洞见。他的演讲题目是——“造‘小’的艺术:从分子开关到分子马达”。

费林加告诉复旦学子:“我喜欢分子世界,但是在分子美丽的花园中,我也常常迷路,找不准方向,但是这些让人‘绕圈圈’的问题是最有趣的,它们会带来意想不到的答案,改变我们的世界。”

“对年轻人来说,最重要的是提出问题”

费林加认为:“对年轻人来说,最重要的是要提出问题。”比如,为什么花朵如此美丽?为什么春天作物生长?

他的偶像是达·芬奇。150年前,达·芬奇有句名言,“当自然完成了对它的物种的生产的时候,人类就要开始在自然的帮助下创造无限的种族和物种。”

2016年,费林加获得诺贝尔化学奖。有人对他说:“你得了诺贝尔奖,不需要再学习了。”

费林加摇摇头:“不是的。当我们想要制造智能药品,就要和生物学家、临床医生合作,我需要了解他们的知识。我们相互学习、相互欣赏,这极为重要。”

几年前,对着一本新买的细胞学的书,已经成为科学家的费林加仍旧会像个大一新生一样从头学起。那本书有1200页。

对于诺奖,费林加的态度是:“就像参加奥运会的运动员,不是一天到晚想着拿金牌的。这需要努力训练,还有点运气。”

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他主要研究的“分子机器”,是指由许多不同分子水平部件组装在一起的装置,这些分子部件在外部刺激下,可以像机器一样运动,是一种超分子体系。“分子开关”是其中一个非常重要的研究成果。

因此,他的分享从“分子开关”切入。能够在0和1两种状态进行转换的分子就是开关。他俏皮地举例:“眼睛就是一种最简单的生物开关。”而分子开关则将0和1的转换带到了纳米级的尺度。

费林加相信,分子开关的光敏性与可以对患处实现精准治疗的特点,让它能够在医药行业大显身手。“众所周知,细菌的耐药性是人类的‘定时炸弹’,于是我们生产了能够以光来激活的抗生素,通过光线的照射实现开启和关闭。”

他向大家展示了自己的实验,培养皿中的细菌在没有光线的地方可以正常生长,而在有光照的地方无法生存。“这意味着,未来药品会变得更加安全。”

迎接未来,最好的方式就是“发明未来

“我们要以什么样的方式面对未来?”

“迎接未来最好的方式就是‘发明未来’。”

费林加的家乡荷兰以风车出名,喜欢发明的他想用分子搭一座风车。“有底柱、风叶和轴,通过光的驱动,能像真正的风车一样转起来。”甚至造出一整个能放在水平面上的“分子风车公园”。

通过观察月亮与地球的运动关系,费林加和学生还一起设计了一个颇具浪漫色彩的分子机器,在旋转时就像是月亮绕地球。

费林加合成的分子马达,则是将宏观意义上的发动机在微观层面进行复现,是分子机器的关键组成部件之一。“一旦在分子层面控制了运动,就为控制其他各种形式的运动提供了可能。这一研究成果为未来新材料的研发开启了广阔前景。”

控制分子马达运动最重要的问题是什么?“那就是控制马达的旋转,包括速度和方向。”

费林加研制的第一个分子马达,一小时只能转一圈。“可不能把这个马达安在车上,太慢了。”

最新的分子马达一秒钟可以旋转1000万圈,前后对比,进步惊人。

费林加由此进一步深入,开展“人工肌肉”研究项目。分子马达在这个项目中帮助肌肉收缩。

有听众针对人工肌肉提问,费林加兴致勃勃邀请对方上台扳手腕。对方赢了,费林加笑着打趣:“我现在比不过你,但等到我可以装上人工肌肉,那么多分子马达集中发力,一定比你的力气大得多!我们打个赌,五年后再比一下。”

通过耦合分子马达,费林加团队还研制出四轮“分子车”。在这辆大小仅有2纳米微型的车上,分子马达的旋转的力转化成为平移的力,世界上最小的车就这样开动了。

费林加和4个学生花了足足8年时间,才造出这辆微型纳米车。

科学的旅程是一场冒险,请保持好奇、勇于探索

“你的研究有什么用?”这是费林加经常被问到的问题。

分子马达、纳米车、分子机器……费林加做的研究,很多人听着觉得像科幻片。

基础研究到现实应用,从来不会一蹴而就。

早先,费林加进入格罗宁根大学学习后,他就亲手做出过一个分子,尽管“这个分子也并没有什么用处”。但他的教授这样说:“世界上在你之前没有人做出过这个,这个分子是属于你的。”

“现在的分子马达,相当于19世纪30年代的电动马达,那时的研究者仅仅在实验室里展示各式各样的旋转曲柄和动轮,丝毫不知这些东西将导致洗衣机、风扇的诞生。”费林加解释潜在意义。

现在,分子马达和分子车已经可以做出旋转、平移、推动这样精彩的运动。费林加畅想,50年后,它们或许会迎来实质性应用,那时将做得更多、更好。

比如在医疗领域,分子机器可以进入人体精准靶向递送药物,为癌症治疗提供助力;在材料领域,分子机器可以制造能够进行自清洁和自修复的材料;在计算机领域,分子机器可以成为信息的存储单元……通过不同学科的协力与合作,能铺就未来发展之路。

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他寄语青年学子:“科学的旅程是一场冒险,对于年轻人来说,保持好奇、勇于探索是最重要的。”学术研究行稳致远的诀窍,需要“两条腿”走路,而不能“单脚跳”,这是他给学子们的建议。一方面,致力创新突破,争取得出开创性成果;另一方面,也要在自己熟悉的领域做些研究,为自己积攒学术声誉,提高学术能力。“这样一来,即使遇到失败也有缓冲的余地。”

当然,费林加不怕犯错。他说:“科学研究中,所有的门路都要自己摸索,到底哪里走得通一开始谁都不知道,所以你必须允许犯错,并会从错误中学到知识。”