來自三大洲的六支隊伍正在為本月在法國南部拋光金賽道上舉行的一場獨特比賽做準備。但這並非奢華的超級跑車賽事：參賽者將駕駛單個分子。在36小時內，他們的目標是在真空和接近絕對零度冷卻的實驗室賽道上移動100奈米的距離——大約是人類頭髮寬度的千分之一。
該比賽被譽為世界首屆奈米車賽，共同組織者、在圖盧茲材料製備和結構研究中心工作的化學家Christian Joachim表示，其目的是讓人們對奈米技術和分子機器感到興奮，比賽也將在該中心舉行。他和圖盧茲-保羅·薩巴蒂爾大學的化學家Gwénaël Rapenne在Joachim意識到——在接受記者採訪後——奈米車比他對奈米技術基本方面的研究更受公眾關注後，發起了這場比賽。
比賽也可能為參賽者提供科學見解，他們希望更多地瞭解他們的單個分子如何與表面相互作用。參與者表示，這可能有助於催化劑的設計，並從長遠來看，進一步實現建立用於運輸貨物或資訊的分子級技術的目標。“這是一項由許多人同時進行的大型實驗，”Joachim說。（《自然奈米技術》與《自然》新聞團隊無關，是該比賽的贊助商。）
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
用電子驅動
“奈米車”這個詞實際上用詞不當，因為參與這次比賽的分子沒有發動機。（Joachim說，未來的比賽可能會加入發動機。）而且，這些分子是否會像“小車”一樣滾動也尚不清楚：一些設計可能會，但許多設計缺少輪軸和輪子。車手將使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 尖端的電子來幫助推動他們的分子前進，通常每次只移動0.3奈米——這使得100奈米“相當遠的距離”，奧地利格拉茨大學的物理學家Leonhard Grill指出，他共同領導著一支美國-奧地利參賽隊伍。
參賽者不允許用STM尖端直接推他們的分子。一些隊伍設計了他們的分子，使入射的電子提高它們的能量狀態，從而引起振動或分子結構的變化，從而推動賽車前進。其他隊伍則期望電子的靜電斥力成為主要的驅動力。日本筑波國立材料科學研究所的有機化學家仲西和（Waka Nakanishi）設計了一種帶有兩組“襟翼”的奈米車，當分子被STM尖端激發時，這些“襟翼”會像蝴蝶翅膀一樣撲動。她說，參加比賽的部分原因是希望可以使用圖盧茲實驗室最先進的STM來更好地瞭解分子的行為。
俄亥俄大學雅典分校的化學家埃裡克·馬森 (Eric Masson) 希望找出他團隊賽車的“輪子”（南瓜狀的原子群）是否會在表面上滾動還是僅僅滑動。“我們想更好地瞭解分子與表面之間相互作用的本質，”馬森說。
僅僅觀看比賽進展就成功了一半。每次嘗試推動後，隊伍將花費三分鐘用STM掃描他們的賽道，並且每小時他們都會製作一個短動畫，並立即將其釋出在網上。Joachim說，這樣，每個人都能夠看到幾乎實況直播的比賽。
奈米級比賽
化學家們以前曾創造出帶有輪子和輪軸的微型奈米車，以及分子轉子和開關。2016年諾貝爾化學獎頒發給了納米機器的創造者，這重新引起了人們對該領域的興趣。然而，Joachim說，諾貝爾獎獲得者主要研究溶液中大量的分子，而這次比賽的研究人員則專注於單個分子與固體表面之間的相互作用。
但是，奈米級的汽車行為與現實生活中的汽車截然不同，這使得很難找到這些機器的用途。在這些尺度上，靜電力占主導地位，隨機熱振動不斷地使分子晃動。因此，奈米機器最終可能會以意想不到或不可預測的方式執行，Grill說。
圖盧茲實驗室擁有一臺不尋常的STM，它有四個掃描尖端——大多數只有一個——這將允許四個隊伍同時在金表面的不同部分進行比賽。本週將有六支隊伍競爭四個名額中的一個；決賽將於4月28日上午11點（當地時間）開始。參賽者在比賽中將面臨許多障礙。比賽中的單個分子經常會丟失或卡住，而最棘手的部分可能是協商賽道上的兩個彎道，Joachim說。他認為賽車手可能需要多次重新開始才能覆蓋這段距離。
本文經許可轉載，並於2017年4月19日首次發表。