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把握现在,决定未来——三种科学讲坛:关于2016年诺贝尔物理学、化学奖解读
来源:  作者:  发布时间:2017-1-5 11:16:53


 

      2016年10月24日下午,我校邀请了云南大学的曹秋娥教授和刘春生博士前来我校为高一高二年级分别带来了两场精彩的报告——关于本年度诺贝尔物理学及化学奖的解读。

专家简介

    曹秋娥教授。现为云南大学化学科学与工程学院副院长,云南大学化学化工实验教学中心主任,云南省高等学校教学科研带头人,云南省中青年学术与技术带头人后备人才,《大学化学》和《冶金分析》编委。目前主要从事分子识别分离富集材料的研究、中药活性成分的毛细管电泳分离与活性筛选研究和生物大分子的分析及其与小分子的互相作用研究

 

 

   刘春生博士。在美学习工作期间,师从威廉. 巴特勒博士从事理论凝聚态物理研究。巴特勒博士的导师沃特.科恩是98

年物理学诺贝尔奖得主,在磁性材料领域颇具权威。 刘春生博士在美学习期间经常有机会接触到诺贝尔物理学奖得主等专业诠噬隙ゼ獾专家。对于前沿物理研究有着切身的体会和观察。


讲座内容摘要

    


    北京时间今日下午545分,2016诺贝尔奖的最后一个科学类奖项揭晓——法国斯特拉斯堡大学的Jean-Pierre Sauvage教授、美国西北大学的James Fraser Stoddart爵士以及荷兰格罗宁根大学的Bernard L. Feringa教授因为成功设计和制造了一种在添加能量的情况下运动可受控制的分子机器即行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器。信息技术的发展带来了小型化的技术革命,而他们所做的工作把化学研究带入了一个全新的维度,因而他们也获得了今年的诺贝尔化学奖。

     

这些研究成果意味着“分子机器”分子部件已经成熟到了可以应用的阶段。这一领域的研究已经走过了漫长的道路,现在是时候向外界证明它们是有用的了。斯托达特充满信心地说道。

本届诺贝尔化学奖成果带化学走出了僵局,记得讲座中老师向我们询问过一个问题:从发展的眼光看,现在的分子机器对于我们来说就像电动机对于19世纪的科学界先辈一样,那时他们并不知道这些线圈和磁石会化为电车、洗衣机、电风扇等等走进千家万户;莱特兄弟发明飞机的时候也有人询问过他们飞机到底有什么用,难道只是满足他们的梦想么?但现在这个社会,我们已经无法想象没有飞机的世界是啥样。所以就像在19世纪30年代问世的电动马达彻底改变了这个世界一样,就像飞机给世界带来的改变一样,这些分子机器也同样有着改变世界的潜力。它们有望能被用于新材料、新感受器和新能量储存系统的发展。今年的诺贝尔化学奖,正是对它潜力最好的认可。

就像荷兰格罗宁根大学的化学家本·费林加(Ben Feringa2016年诺贝尔化学奖得主)所说的我们已经制造出了五六十种不同的(分子)马达,我现在更关心的是怎么使用它们,而不是再造出一种新的马达来。这一领域目前的发展到达了一个转折点。戴维·利说:15年内,分子机器领域的研究将成为化学和材料设计领域的核心部分。

分子机器的两大特点

第一,环状分子与链状分子在位点结合的相互作用并不是高强度的共价键,而是带正电区域与带负电区域之间的静电吸引作用。这种作用相对较弱,换句话说,环状分子与链状分子之间的结合可以随时被打破与重建,就像双链DNA间的氢键一样。

第二,斯托达特设计的分子穿梭机并不需要外在能量就能完成往复运动:装置运行的驱动力来源于溶液中分子间的相互碰撞,也就是常说的布朗运动。

人物小传

  让-皮埃尔·绍瓦热(Jean-Pierre Sauvage)是法国配位化学家,1944年出生于巴黎,他在路易斯·巴斯德大学取得博士学位,现任法国斯特拉斯堡大学教授,研究领域主要为超分子化学。

  弗雷泽·斯托达特(Sir J. Fraser Stoddart )是英国合成分子化学家,1942年出生于爱丁堡,现任美国西北大学教授,他的研究专长为分子纳米技术及均相催化。

  伯纳德·L·费林加(Bernard L. Feringa )是荷兰合成有机化学家,出生于1951年,他于1978年在荷兰格林罗根大学取得博士学位,现任格林罗根大学化学系教授、荷兰科学院副院长。他的研究兴趣包括立体化学、有机合成、非对称催化、分子开关及机器、自组装及分子纳米系统。

  分子机器合成的第一步是由Sauvage教授于1983年实现的,他成功地将两个环状分子连接在一起,形成了一条特殊的链,即双环化合物。通常,分子是由原子间通过共享电子对构成的共价键形成的,而在这一条链中,分子则是由更加自由的机械性相互作用形成的。要想让一个机器能够完成任务,其必须由相互之间能够相对移动的部件组成,而上述两个互锁的环状分子正可以相对移动。


在之后的1991年,Stoddart爵士成功合成出了轮烷(rotaxane),实现了分子机器合成的第二步。轮烷是一类由一个环状分子套在一个哑铃状的线型分子上的而形成的内锁型超分子体系。在此基础上,Stoddart爵士为分子机器设计出了一系列新的部件。 

Feringa教授是首个研发分子马达的人。1999年,他制作了一个分子转子叶片,能够持续朝一个方向旋转。利用分子马达,他成功让一个玻璃圆筒开始旋转。要知道,这个圆筒可比马达本身大上10000倍。此外,他也设计了一辆纳米小车。

心得

昆明三中高20184 高枫

听了曹教授的讲座,我受益匪浅,感触至深,感觉曹教授把我们陌生未知的领域——2016诺贝尔化学奖的研究成果,到底是个什么东西讲述清楚了。我想总结为这么几个字:小分子,大领域;前景,一切皆有可能。作为一个理科生,我不会用多么华丽的词藻来描述这个讲座或是这个奖项,但是我想说还在我很小的时候,“科学” 的种子就开始生根发芽……

在科学探索的道路上是不允许我们止步不前的,也不许“浅尝辄止”,站在“真理之海”的几公里开外是连贝壳也拾不到的!从宏观到微观,从推测到理论定律,我们对世界的认知在不断被刷新;如果我们还把自己当作一个与世界无关的高中生,那么是永远得不到发展的,只会在浩浩汤汤的世界潮流中被洗去。

难忘老师给我们的启发与鼓励,的确未来是什么样子是可以由我们决定的。所以,未来并不遥远,把握现在,决定未来。

 

昆明三中高20184 金龙

这次讲座简要介绍了“分子机器”设计与现实的基本原理,听起来深入浅出。对化学知识尚未全面、未完善的我来说,虽然有些地方暂时无法理解深入,但对科学的热情只增不减。

今年的诺贝尔化学奖揭晓前,我对“分子机器”一无所知。诚然,分子原子构成了我们的机体,但他们的秘密并非生来就呈现于我的脑海。作为可以思考的生命机体,好奇心赋予了我们探索的动力。我们今天在图纸上正确画出的每一个分子结构,乃至每一个电子符号,都有其真实存在。不过人不会止步于此,我们都想在化学科学的图纸上“创作”,即不仅仅对自然界的变化进行描述。

既然分子的形成不是上帝之手创造,那么以“分子机器”为代表的新兴科研项目也不是浮于半空的“高调”。静电力、氢键、配位键、π-π堆叠……这些我们熟悉而又陌生的力量,给“分子机器”设计提供了基本条件。如果认为我们中学生与之甚之甚远,那必须说:我们走在这条“朝圣路”上,并已经迈出了第一步。

科学之“朝圣路”,经历泥泞是必然,可这样的泥泞也使我们的脚印更深。“分子机器”可以作为消灭癌细胞的“人造”武器吗?能让我们更好探索微观世界的秘密吗?现在,我们不知道。但我们很高兴知道。这就是我们未来的责任。

 

昆明三中高20186 杨颖

以前觉得化学的神奇在宏观上在于奇妙的现象,没想到微观上也可以制出如此精巧的“机器”,我还要不断学习,不断进步!

 

昆明三中高201810 杨雅妮

了解到这三位科学家如今的成果,是在上世纪8090年代就开始研究的,不知道是何等的毅力以及恒心让他们坚持到现在,所以我觉得我们也应该学习他们的精神,并用于学习乃至以后的工作,在探索的真理道路上不断前行。

 

昆明三中高201811 林惠泉

都说兴趣是学习最好的老师,曹教授的讲座再一次激发起了我对化学的兴趣,虽然高中之后可能不再接触化学了,但是“学好数理化,走遍全天下”,我并不觉得这是无用的!

 

昆明三中高20181 张添祎

世界的未来不会远,我们是新时代的开拓者与创造者,我们愿走在创造的道路上,利用所学和现有的知识理论与工具,克服一个又一个困难和障碍,开辟出一个又一个新的未来和希望。

 

昆明三中高20181 陈曦

我想成为下一位诺贝尔奖得主!

 

高二年级组 孙瑾老师

热爱生活,留心观察!在生活的浩瀚海洋中,乘着化学的风帆前行!做一个拥有广泛爱好,积极态度的人!让我们用最好的打开方式,来过好现在,展望未来!

 

引用资料

马克·佩普洛(Mark Peplow)-环球科学ScientificAmerican

nobelprize.org诺贝尔奖官网-2016 Chemistry Prize

ynu.edu.cn-中心主任——曹秋娥教授

zh.wikipedia.org维基百科-诺贝尔奖


 

 

信息录入:罗老师