您聽說過勒芒24小時耐力賽嗎？這項艱苦的晝夜耐力賽每年在法國南部舉行。就在圖盧茲的下游，科學家們正在準備一場時間更長、完全史無前例的比賽。它不會在經典的賽道上進行，而是在世界上最小的專用金色賽道上進行。這是有史以來第一次奈米車比賽，或者簡稱為奈米賽。雖然這可能看起來很有趣，但這場比賽有一個嚴肅的科學目的：測試最近在法國南部安裝的一臺獨特的掃描隧道顯微鏡 (STM)。這場比賽還將為奈米車如何在極端條件下應對提供新的見解。
Christian Joachim，法國國家科學研究中心 (CNRS) 的研究員和奈米賽的組織者，說“由於 STM 系統的進步，現在可以操縱單個原子，甚至分子”。 “藉助新的四探針顯微鏡，不同的人可以同時在同一個表面上工作。這項技術最終將提高原本速度緩慢的儀器的操作速度，”他補充道。這意味著可以獨立“驅動”四輛奈米車，每個探針驅動一臺機器。從每個探針流出的電子實際上將成為奈米車的燃料——推動它前進——獲勝的機器將是行駛最遠的機器。
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大約一個月前，六支參賽隊伍中的三支在圖盧茲參加了“熱身”圈賽。 Éric Masson，美國 俄亥俄州山貓奈米車隊 的隊長之一，也是美國俄亥俄大學的研究員，對“能夠使用這臺非常棒的四探針 STM”感到興奮。他以前從未研究過奈米車，但合成過其他超分子。他決定將其中一些組合起來，並首次設計一輛奈米車。“我們的設計融合了美學和實用性。我之前研究過可以很容易地設想為輪子的環大分子，以及帶有剛性軸元件的假輪烷。” 俄亥俄州團隊以優雅的方式建造了他們的奈米車：“我們將框架懸浮在水中，”Masson 解釋道。“然後，我們新增輪子，汽車逐步自組裝。當我們新增最後一個輪子時，汽車突然變得水溶性，沉澱物消失了。” 奈米車結構的複雜性表明它將具有高度複雜的 NMR 譜圖。但 Masson 表示情況根本不是這樣，而且由於奈米車的對稱性，“NMR 非常清晰，毫無疑問輪子最終會落在哪裡”。
競速到底
Waka Nakanishi，日本NIMS-NAMA 團隊的隊長和設計師，也是日本國家材料科學研究所的研究員，她說“比賽的目的是看看分子在這些非常特殊的條件下如何表現”。 “我們舉辦這場比賽是為了獲得樂趣，並與世界分享[我們發現的]重要性，”她補充道。她的團隊面臨的主要挑戰是將奈米車放到金色賽道上，並最終用 STM 顯微鏡對其進行成像。她仍然很樂觀，“因為有數百萬輛汽車；如果其中一輛被損壞，我們總是可以使用另一輛 [並繼續比賽]，”Nakanishi 說。
We-Hyo Soe，日本隊的“車手”之一，也是 2012 年吉尼斯世界紀錄 世界最小工作齒輪 的保持者，向化學世界解釋了比賽為何需要 38 小時。“因為我們必須將賽道保持在約 5K (–268°C) 的低溫下，所以我們受到氦氣罐容量的限制。” 對於 Soe 來說，“贏得比賽並不重要”，因為一切都是為了擴充套件對分子機器行為的理解。
然而，Gwénaël Rapenne，法國圖盧茲奈米移動俱樂部 團隊的負責人和圖盧茲大學的化學教授，說：“這場比賽的目標是獲勝！開玩笑地說，真正的目標是使用新的四探針 STM 顯微鏡，這在世界上是相當獨特的。” Rapenne 還將奈米賽視為尋找新資金來源的絕佳機會。“我們不能使用公共資金來資助像比賽這樣的活動，而且也很難讓私營公司資助基礎研究，因為應用還很遙遠。” 奈米賽已獲得豐田、標緻或米其林等公司的贊助。Rapenne 說，汽車公司的支援將幫助他們開發新的 STM 顯微鏡。法國隊有兩輛車：他們最初的、技術模仿的、共價鍵合的奈米車和他們新設計的彎曲奈米車——被稱為“綠色越野車”，因為該分子實際上是綠色的——它最大限度地減少了與賽道的相互作用。Rapenne 說，“具有共價鍵的分子組裝體比自組裝奈米車更穩定、更剛性和更精確”。根據 Rapenne 的說法，“類似的分子在 STM 中可以持續長達六個月。它們非常穩定！”
夢想機器
儘管存在一些競爭，但所有隊長都同意這場比賽將使他們的領域受益。許多人也為 2016 年諾貝爾化學獎頒發給了與他們內心息息相關的主題——分子機器而欣喜若狂。“我為我的博士生導師 Jean-Pierre Sauvage 感到非常高興，”Rapenne 說。“直到現在，很多人都認為分子機器只是好玩的東西，沒有實際應用。諾貝爾獎認可了這個領域真正的的重要性，”他補充道。“這肯定會促進分子機器的研究，”Soe 也表示贊同。
Steve Goldup，英國南安普頓大學研究互鎖分子和分子機器的學者，說“也許這場奈米賽以諾貝爾獎無法企及的方式引起了人們的想象力，因為它是一個非常簡單的想法：人們製造了非常小的汽車，他們將要比賽。每個人都明白這一點。” Goldup 說，發人深省的是“一些結構在某種意義上並不能識別為汽車，因為它們沒有四個輪子、底盤和馬達”。 “我們知道如何在宏觀尺度上移動物體；在奈米尺度上，在金表面上，什麼效果最好？”，他想知道。他補充說，四探針 STM 才是真正的明星。“這些成像技術不僅在奈米技術中非常有用，而且在生物應用中也很有用，挑戰系統使其速度更快是一個很棒的想法”。
Goldup 補充說，“如果在網站上有一個投注選項會很酷”，並且他有自己的最愛。“我的錢會投給瑞士隊，因為設計非常簡單，而且有點違反直覺，”他說。“德國奈米風車也很漂亮。”
Masson 說，比賽定於明年 4 月 27 日至 29 日舉行。經過兩輪資格賽後，四支隊伍將進入最後的 38 小時比賽。“每張影像大約需要五分鐘才能獲得，而奈米車每次只移動 3 奈米的微小步長，”Joachim 解釋道。幾乎肯定會有維修站供車手更換，組委會還為車手安排了休息的地方。“但以防他們想保持清醒，顯微鏡製造商為我們提供了一臺免費的咖啡機！，”Joachim 笑著說。