對話諾貝爾獎得主:當“世界上最小的機器”進入我們的皮膚會發生什麼?_風聞
把科学带回家-把科学带回家官方账号-专注于孩子的科普教育38分钟前

撰文 | 劉六七
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大膽做夢一下:如果你獲得了諾貝爾自然科學領域的獎項,會如何應用你的技術?
是像屠呦呦那樣,把青蒿素用於製造抗瘧疾的藥物,還是像2000年化學獎得主們那樣,憑藉導電聚合物(觸摸屏)掀起手機領域的革新浪潮?不管你腦中的計劃是什麼,它大概率都是野心勃勃的,甚至還帶着點要推進人類文明的色彩。
不過,一些諾獎得主卻想把技術用於比較“有温度”的領域。化學家弗雷澤·司徒塔特爵士(Sir Fraser Stoddart)曾憑藉“分子機器”榮獲2016年諾貝爾化學獎,也曾在超分子化學領域做出巨大貢獻。
然而在事業巔峯期,他卻開創性地**把分子機器與護膚品結合起來,**給很多人帶來驚喜。

弗雷澤·司徒塔特。文章最後,有弗雷澤先生對“把科學帶回家”讀者説的話哦!
弗雷澤為什麼產生了做護膚品的想法?什麼是分子機器?用諾獎技術製作出來的護膚品效果真的好嗎?在回答這些問題之前,我們不妨先認識一下世界上最小的機器:比頭髮絲還細1000倍的“分子機器”(molecular machine)。
把身邊的機器變小
“你能把一台機器做到多小?”
1984年,物理學大拿理查德·費曼用這個問題開啓了一場演講。穿着樸素的粉色POLO衫和米色短褲,費曼向觀眾席上的科研工作者説道:“讓我們來談談製造一台有可移動部件,且體積非常微小的機器的可能性。”
當時,科技界已經把電腦從一整個房間那麼大,縮小到可以放置在桌面上的體積,費曼認為人們也可以將身邊的機器小型化,並從中受益。
有兩個方向可以實現這個目標,**其中一個是由大至小,**先創造一雙小巧的機械手,然後再用這雙機械手造出一雙更小的機械手,直到一雙極其微小的機械手製造出一台同樣微小的機器。

理查德·費曼曾在1965年獲得諾貝爾物理獎|圖源:wiki commons
經過嘗試,由大至小的方法宣告失敗,於是希望落在由小至大搭建機器上。
在那場演講結尾,費曼對在場觀眾意味深長地説:“看看你們能不能把現有的機器設計得十分微小,然後等個25至30年探索其用途。至於能用於哪些領域,我也不知道。”
費曼那時大概沒料到,32年後,他當初設想的機器不僅獲得了諾貝爾獎,甚至還擁有了各種各樣的用途。

與弗雷澤(中)共同贏得2016年諾貝爾化學獎的還有讓-皮埃爾·索瓦日(左)和伯納德·費林加(右),獲獎原因皆因對分子機器的設計和合成做出了巨大貢獻|圖源:Nobelprize.org
回顧分子機器的發展歷程,它確實是由小至大搭建起來的。20世紀80年代,有科學家成功將兩個環狀分子套在一起,創造出索烴(catenane)。通常而言,**一台機器想要運轉就必須包含可以相互移動的零件,**索烴的兩個環可以相互移動又不會完全散開,是做零件的天選材料。

索烴製作方式,這不僅創造出一種新分子,還發明出新的分子連接方式|圖源:Nobelprize.org
索烴問世大概10年後,弗雷澤創造出了一種更精細的零件:輪烷(rotaxane)。他將一個環狀分子套在一個長條形的分子上,而且還能通過實驗,讓環狀分子按照設定方式沿着條狀分子移動。

輪烷示意圖|圖源:wiki commons
弗雷澤把幾個輪烷立起來,便搭建出 “分子電梯”,這台電梯可以在垂直方向上移動0.7納米。利用分子特性,弗雷澤還與其他科學家用輪烷設計出20KB的電腦芯片,大大壓縮了芯片晶體管的體積。

分子電梯示意圖|圖源:Nobelprize.org
受弗雷澤啓發,五花八門的“分子零件”先後問世,有人制造出可以組裝氨基酸的分子機器人,有人設計出每小時能前進5納米的分子汽車。還有科研人員嘗試將分子機器技術用於研發新材料和電池。
就在這時,作為分子機器領域的奠基人之一,弗雷澤開創性地決定把這項技術和護膚品結合起來。
把“諾獎成果”塗抹在臉上
在很多人看來,“超分子化學”與“護膚品”是相隔千里的兩個領域。正因如此,當弗雷澤把分子機器用於護膚品時,不少人感到了驚訝。不過,如果你瞭解他的成長背景,便會覺得這種結合也在情理之中。
1942年,弗雷澤出生於蘇格蘭愛丁堡,18歲前,一直生活在沒有通電的農場中。他最喜歡用玩拼圖來打發時間,這不僅在無形中培養了**他對形狀的敏鋭度以及把碎片連接起來的技能,**還讓他對藝術和美產生了一定追求。
哪怕已經在行業中取得一定成就,弗雷澤仍喜歡像兒時玩拼圖那樣組裝分子。他曾用分子臨摹博羅梅奧家族盾牌上的三環圖案,還有象徵所羅門國王智慧的標誌等。回憶起用分子作畫的經歷,他至今仍覺得很享受。

博羅梅奧環(左)和所羅門結(右)
弗雷澤身邊的女性同樣對其事業產生了積極影響——**他的妻子和兩個女兒都擁有化學博士學位,**這也大概能解釋弗雷澤為何會產生把分子機器與護膚相結合的念頭。
這條故事線要從一種叫“伽馬-環糊精”(gamma-Cyclodextrin)的物質講起,這是一個由8個糖單元組成的分子,形狀像一個上寬下窄、兩端開口的水桶,具有較大空腔。它可以用玉米小麥合成,十分綠色環保。

伽馬-環糊精結構|圖源:International Journal of Pharmaceutics
如果把6個伽馬-環糊精以特定方式結合在一起,便可以得到一個擁有很多空腔的“方塊”,把上萬個“方塊”組合在一起,便可以得到一個擁有很多存儲空間的容器。而且這個容器在遇到水時會開始有序瓦解,從而把存儲在空腔中的物質緩慢釋放出來。
弗雷澤將其命名為**“有機超分子容器”**(Organic Super Molecular Vessels)。

“有機超分子容器”模型
在護膚品製作過程中,研發人員將護膚活性成分存放在容器的空腔中,避免它們與氧氣和光照接觸失活。**而且該容器的體積比皮膚細胞小1萬倍,**可以攜帶活性成分輕鬆進入肌膚深處,滲透力比市場上現有的產品高200%。
進入到細胞後,容器遇水開始瓦解,鮮活的護膚成分便會開始緩慢釋放,**較一般護膚品釋放時間延長了10倍,**避免對皮膚產生刺激。此外,通過預先設計,**科研人員還可以讓不同成分以特定順序釋放,**從而和肌膚生物鐘重合,達到事半功倍的效果。

弗雷澤驕傲地表示,分子機器創造出世界上獨一無二的護膚品,“有機超分子容器”就像一台運輸車,高效地將護膚活性成分運送到最需要它們的地方。當其他品牌還在拼成分時,弗雷澤用科學家的思維專注在輸送上,畢竟就算你擁有世界上最好的護膚成分,如果不能使它們進入皮膚並被高效吸收,都是浪費。
弗雷澤曾在採訪中表示,自己的兒時夢想是可以積極影響人類,如今作為一名科學家,將自己最珍視的技術用於與每個人息息相關的日常生活,好像是年少時夢想的兑現。這何嘗不是一種浪漫呢?
參考資料:
[1]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/press-release/
[2]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/popular-information/