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分子大小的機械

91/09/05 瀏覽次數 17385
在不久的將來,我們將應用分子機械於邏輯線路、記憶元件、甚至於進入人體修復有病的器官、清掃受阻的血管、除去癌變細胞,以及更換有缺陷的基因等等。分子機械的設計與合成,在未來的應用上將無可限量。

物理學家理查.費曼(Richard P. Feynman)1959年在美國物理學會年會上發表了主題為「窺究到底,空間還多得很!(There is plenty of room at the bottom.)」的知名演講。他從已知的技術出發,探討微小化在物理定律中所造成的限制,最後斷言「逐個原子」建造方式的可能性,甚至必然性。當時,這構想看似野心勃勃、甚至幾近不可思議,現在卻已儼然變成了具有共識的務實目標。

目前,所有元件的微小化過程,均由大尺寸往小尺寸的方向演進。以電腦為例,中央處理器積體電路的線寬由從前的微米階級發展到現今0.13微米的次微米階段。幾十年來技術的演進已經使微電子產品縮小到接近分子級的水準,但同時,這種由大至小的製造策略卻也已經接近物理學的極限。既然由大至小的路已逐漸走不通,那何不反過來思考–由小推展到大的方式來發展。因此,全球許多科學家便開始著手分子機械的開發。縱觀現階段分子尺度科學的進步,不禁讓許多人明白了理查.費曼這位曠世天才在多年前已預見的願景。

分子機械是什麼

最近美國一群科學家在《自然》(Nature)雜誌上發表文章指出,在活生生的老鼠背上裝了迷你無線電波接收器,再將3個電極分別植入老鼠腦部控制左右方向以及產生興奮感覺的區域。接下來只要發出無線電訊號刺激老鼠,老鼠就會一個命令、一個動作,乖乖向左、向右轉彎。這隻活生生的「機器鼠」將成為災難搜救的利器。而為了要在更狹小的空間如人體、器官、甚至細胞內執行任務,我們必須擁有奈米(10-9公尺)或分子大小的機械來達成。而分子機械正如同巨觀世界的機械一樣,必須有外在的刺激,它的某一部分性質才會發生規則性的改變,通常是以加入化學燃料或輸入光、電來達成。

分子元件的優點

小而五臟俱全,是分子元件最大的優點。舉例來說,今日微晶片上的邏輯電路每平方公分不超過108個,若製造出分子邏輯閘,則每平方公分上的邏輯電路將可高達1013個,足足增加了105倍。其次,分子元件的反應時間,理論上最快可到達飛秒(10-15秒)的解析,反觀現在的光電晶體元件,最快也只能到達奈秒(10-9秒)的數量級。換句話說,未來分子元件的運行速度,理論上最多可比現在的元件快106倍。

另外,以製造成本的角度來看,它將是有史以來成本最低廉的機械。怎麼說呢?假設我們以化學方法合成製造出0.1克的分子機械,而每個分子的重量是1000道耳吞(1 Dalton = 1.6605655(86) × 10-24 g),則總共將生成了6 × 1019個分子機械。

由於分子機械不但小,而且可在溶液中工作,因此未來還可應用到醫療的用途上。看到這裡,相信你會不自禁地發出讚嘆聲「有這麼神奇嗎!?」到底分子是如何進行機械化的動作?我們又如何控制分子機械?

化學分子機械

最簡單的人工合成分子機械就是分子馬達。本文中所介紹的這個馬達到底有多大尺寸呢?答案是小於10-9公尺。當然這個分子在設計上的缺點是我們無法控制它何時轉與不轉以及轉動方向。因此,我們利用分子設計、合成方式做些改良,如分子2。

能做為分子機械的最重要條件是,分子在驅動後必須能回到原先的狀態,也就是循環式的反應,這樣才能達到應用的關鍵。我們於上例中,藉由加入化學試劑來控制分子的動作,其所得到的回饋即相當於機械原理中的開與關。然而這類型的設計有著難以突破的障礙,其機制就如同生命體以食物做為驅動身體機能的來源一樣,最終不可避免地導致大量廢物的產生。因此,上述之分子機械將因廢物累積過多,在循環使用短暫時日後停擺。讀者至此一定會提出疑問:難道除了添加化學燃料外,沒有其他方法可控制分子的行為嗎?非常清楚地,最乾淨而快速的方式就是使用光能或電能。

光化學分子機械

在適當的分子設計下,我們可利用光化學的方式(例如順式-反式異構化、電子轉移……等)來改變分子的構形。下面舉三個有名的例子來說明,分子6為一掌性分子,在一般狀態下存在有P型(右旋形態)和M型(左旋形態)兩種立體異構物。由於掌性分子是光學活性物質,因此當一束分子不吸收的線性極化光通過時,光的電場方向會被旋轉一個角度,旋轉的程度隨著光學活性不同而改變。而P型與M型分子有著不同的光學活性,因此我們可藉由測量偏轉角度來辨別P型與M型分子。

說了一堆光學理論,相信讀者最想知道的是這類分子到底能有什麼樣的應用呢?假如P型與M型分子相對應於電腦語言中的0和1時,我們可以用左旋極化光(I1)及右旋極化光(I2)來寫入資料;使用分子不吸收的線性極化光(I4)來讀取資料,相同波長的線性極化光(I3)來消除資料,這不就是活生生的一個電腦記憶體嗎?

聽起來這是個很棒的計畫,那麼多年來為什麼一直沒有實用化呢?這是因為到目前為止還有個大麻煩有待解決,那就是光照射所需的時間。除了讀取外,利用這系統所需要寫入以及刪除資料所需的時間各為10~30分鐘,這速度恐怕又讓電腦回到20世紀電腦初期發展的年代。因此,距離實用化還有一段很長的路要走。

另一個有名的例子是利用光誘導激發態電子轉移的方式來設計製造分子機械。化學家用六個基團合成了分子7,分別是光活性基團釕(+2)多吡啶錯合物(P)、4,4'-雙吡啶單元(A1)、3,3'-雙甲基-4,4'-雙吡啶單元(A2)、四芳香甲基烷基團(T)、連結基團(S),以及環狀基團(R)。由於R擁有許多的π電子且A2單元較A1多了兩個甲基,空間立體阻礙較大,因此分子7最穩定的狀態是R包覆著A1。

分子7是一個將光能轉換為機械能的分子機械,這個分子機械的動作就像算盤的算珠一樣,十分有趣,但可惜的是,經過測試發現步驟4無法進行,這是由於反向電子轉移的速率一般比環移動的速度要來得快(步驟5)所造成。雖然這是個不實際的例子,但卻值得更進一步地去研究、改進。因為以此概念所發展出來的光感應分子機械,不但反應時間快,而且在反應過程中不會產生任何的副產物。

今年五月,一群德國科學家在《科學》(Science)雜誌上發表了第一個人工單分子機械。他們將反式-偶氮苯聚合物(azobenzene polymer)以共價鍵的型式將其中一端接在原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)的懸臂針尖,另一端則接在一片鉛玻璃上。當此聚合物以波長365奈米的紫外光照射時,每一個偶氮苯單體會形成順式-偶氮苯,此時聚合物的長度達到最小值,AFM的針尖會被分子"往下拉"而彎曲。若以波長420奈米的可見光照射順式-偶氮苯聚合物,則會回到反式-偶氮苯的狀態,而AFM的針尖則會被"推"回原位,科學家則以針尖受力的大小來做為機械開或關的訊號。這個分子機械擁有上述光感應分子機械的優點,且只需單一分子就可完成,這是很大的突破,但美中不足的是用來量測針尖受力大小的原子力顯微鏡卻是十分地龐大,因此目前也難以實用化。

電化學分子機械

使用電化學方式讓分子產生氧化還原反應,進而達到分子構形的改變,這是目前發展最蓬勃、快速,也是最接近應用階段的研究領域。各式各樣的分子設計令人目不暇給,而其中最具代表性的是分子8。

讀者一定發覺到分子8的A0和B兩個穩定狀態和上述P型、M型立體異構物有著異曲同工之妙。一點也沒錯,分子8也是往記憶元件以及分子開關的方向去應用,不同的是分子8的氧化還原只涉及到電子的重排,反應非常快速,並且經過測試可重複使用二千次以上,接近實用的階段。

接下來最實際的問題是如何將製造出來的分子機械製作成元件呢?以分子8為例,要做成實用的元件,需將分子規則地置於電極之間。化學家於是利用藍牟耳單層吸附(Langmuir Monolayers)的方法,將分子8置入水中,再加入界面活性劑–雙荳蔻酯基磷酯醯(dimyristoylphosphatidyl,DMPA),此時將形成DMPA之親水端朝下,疏水端向上的排列情形,再將之轉移到已用標準光蝕刻技術製作出來的矽電極基材上,此時疏水端朝下,親水端朝上,如此一來在氧化還原過程中電子提供基團才能旋轉運作。最後再使用電子束沉積法製作鈦/鋁電極(15奈米/100奈米),這樣就完成了一個簡單的元件。

去年(2001),耶魯大學的一組化學家成功地製作出分子開關式的記憶體(RAM)元件。他們以大約一千個有機桿狀分子夾在兩個金電極中,分子的一端以硫-金鍵與電極結合,另一端以接觸式連結,此時兩電極間的距離大約為30~50奈米。而這個分子在起始狀態下導電性並不好,但是對其中一個電極施以正電壓脈衝後,改變了分子內電子分布的狀態,轉變成為導電性較佳的導體。

這種不同的導電性質,好像開關的開與關狀態,就如同電腦儲存資料時所使用的1與0一樣,因此,此一陣列形態的分子能以開與關動作來儲存資料。隨後的脈衝正電壓可用來辨別分子開與關的狀態,藉以讀取資料。最後可用一負電壓脈衝使分子回到低導電性的狀態,這時原本已儲存的資料就被刪除了。由於一千個分子是排列於相同的兩個電極間,因此它們是同步做著開與關的動作,每一個位元資料都儲存於此一千個分子中。倘若未來每個分子各自擁有一對電極,則每個分子就可各自進行開關的動作,如此將可儲存一千個位元的資料。

生物分子機械

生物分子機械的發展,近年來也相當受到重視。從事開發生物機械的科學家認為,細胞本身就是一個小型的機械,它擁有專屬的電源供應器和記憶體。如果我們對於分子大小的機械產生興趣,生物體就是一個絕佳的起始點。他們希望開發出的生物機械可以從事電腦運算或組裝成為電腦元件,甚至控制基因的啟動與否。麻省理工學院的研究團隊在這方面有了重大的突破。他們在一段去氧核醣核酸(DNA)上接上天線,這個天線是金奈米晶體。當無線電頻率磁場傳送至這個小天線時,這段DNA就會受到能量的驅動而做出反應。研究人員的目標是要將分子建入系統之中,使我們可以用電子的指令來控制其開關。將來,有可能將天線繫入活的生物系統中,來掌控基因的開關。

介紹了上述化學能、光能、電能和生物四大類型的分子機械後,我們約略了解了每一類型發展的現況與優、缺點。而這些分子機械的共通缺點便是穩定性不足,有些有機分子在一段短暫時日的操作下因自身的不穩定而分解,有些則是由於元件在操作時所產生的熱使其分解或脫落。另外,製作固態分子元件的技術才在剛起步的階段,到目前為止科學家還無法製作出真正分子級的元件。而要改進這些缺點,相信只靠化學家單打獨鬥是不夠的,還必須結合物理學、生物學、醫學以及製程工程的專家,在跨領域的激盪下,集思廣益,才有可能突破目前的瓶頸,邁向全新分子應用元件的新紀元。

深度閱讀
  1. Sanjiv K. Talwar, Shaohua Xu, Emerson S. Hawley, Shennan A. Weiss, Karen A. Moxon, John K. Chapin(2002)Rat navigation guided by remote control. Nature, 417, 37-38.
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