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化学与纳米技术


实验室k / 2019-04-22

       在拥护分子制造的埃里克・德勒克斯勒(Eric K.Drexler)看来,化学合成的传统技艺是一种脏乱、原始的制造方式。化学家选择某些反应物之后,把它们置于容器中进行混合,希望合适数目的分子会结合到一起形成所需要的产物。德勒克斯勒导的是一种新的技术,它涉及对单个原子和分子的操控,像拼湊乐高玩具的拼块一样把原子和分子拼凑在一起,从而干净高效地给出复杂的分子产物。与这种没有废物的合成梦想相对比,德勒克斯勒把当今的有机合成方式描述为一种杂乱无章的和有些不可靠的关于复杂分子链的制造方法:

       化学家对溶液中滚动翻转的分子无法直接控制,所以分子可以在任何方向自由发生反应,这主要取决于它们是怎样碰撞在一起的。然而化学家可以诱导反应分子形成规则的结构,比知立方体和十二面体分子,以及形成似乎不可能的结构,比知具有很大张力的分子环。而分子机器在成键方面具有更大的灵活性,它们可以利用分子运动成键,也可以指导这些运动朝着化学家做不到的方式成键。

       德勒克斯勒在1986年发表的《造物引擎》(Engines of Creation)中对两种技术风格进行了对比。第一种是成批处理物质建造模块的当前化学技术,第二种是即将到来的纳米技术时代,“将以更加可控和精确的方式处理单个的原子和分子”。化学合成属于古老的批量处理传统技术,所处理的是“削石”引发的几百亿个原子,这样的技术如今仍然用在微电路制作上。德勒克斯勒的这个比喻是要把这种自上而下的化学设计方法与纳米技术提供的自下而上的新方法作一个对比。新的合成工艺类似于通过把一件件部件逐步拼湊的方法来建造一台汽车,传统的合成技艺像是把所有汽车部件放在一个大箱子里然后摇动箱子以期最终产生一台可以运转的汽车。德勒克斯勒给出结论说:化学家们似乎无所不能,这令人对他们刮目相看,事实上,他们已经取得令人瞩目的成就并且他们也仍在不断取得新成就。

       这些话可以解读为对合成化学家心灵手巧的称赞,但是实际上德勒克斯勒是以此来反讽化学家的合成方法,意指它们脏乱而缺乏控制。化学家们依赖于溶液中大数目分子的杂乱无章的运动,在德勒克斯勒的理想分子生产工厂中,纳米级的机器人将选择和放置构型合适的单个原子以逐步组装成大个的分子。从有计划的使用分子机器执行特定任务这一点来看,纳米技术类似于基因工程,与不能够以高精确模式控制化学反应的合成化学家的老式的合成实践方法完全不同。采用这种纳米技术的结果是,新分子的生产会在干净和环境友好的纳米生产设施中进行,它取代的是老、脏、污染的化学工厂。而且,传统化学工业把公众暴露于各种不稳定或者危险试剂和中间产物相关的危害中,而通过纳米机器人进行分子制造则是完全安全的。进而,化学工业不再被迫应付不需要的副产物,特别是那些带来环境问题的副产物。

       事实上,分子生物学家们就把核糖体和蛋白质描述为分子机器,受到这种描述的启发,德勒克斯勒把基因工程作为他的纳米技术的构想模型。他的想法是,纳米技术能够建造类似的纳米机器人,可以按照预设程序在分子水平执行特定的具有工业用途的任务。这些规划好的纳米机器人与在细胞中运转的天然“机器”之间的主要差别在于后者是自组装的而前者是由人组装的。纳米技术的灵感来自于可组装出分子组分的核糖体和蛋白质,其目的是为未来的纳米工程师设计人工制造的纳米机器人。这些德勒克斯勒所称的“通用组装器”,将会像自动机器人一样运转,以高精确度模式键合单个的原子和分子。而且,与脆弱的活细胞分子机器人相比,这些机器人的制造将会充分利用元素周期表的资源,由更加富有顺应力的分子材料制成。

       对能够维护库存、修理或者是建造新机器人的人工自组装分子机器人的建造设想只是迈向纳米机器人技术的一小步。最终,这些纳米机器人也许能够模仿简单的生物有机体,只不过需要通过执行程序来完成人类设计者预设的有用的目标功能,而且与通常在天然生物中发现的分子机器相比,这些人工纳米机器人也会融合进更加多样化的化学元素。由此我们可以看出,纳米机器人发起者的乌托邦梦想非常接近于倡导转基因生物的那些人的梦想。

       从德勒克斯勒的雄解中可以清晰看出,纳米技术概念是得益于分子生物学的启发并最终渴望获得像生物有机体那样的成功。方法模型是基于涉及DNA和RNA的细胞机制。但是摹拟生命过程这样的事业仍然有资格被称为化学事业吗?还是应该把它更好地理解为一种新形式的生物学?从这个逻辑看,将要来临的纳米技术时代会是化学的终结者吗?


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