有一場很小很小的“汽車”比賽落幕，它能進行，已經說明技術有多迷人

世界上最小的“汽車”比賽上月底在法國圖盧茲落幕，來自世界各地的六支隊伍在純金製成的賽道上角逐勝負，其中只有一輛跑完了全程。

這是由法國國家科學研究中心（CNRS）舉辦的首屆 Nanocar Race（納米車賽），各支隊伍把分子改裝成馳騁的“機器”，參與到這場“錙銖必較”的國際挑戰當中，並在 36 小時內跑完 100 納米。對分子車來說這個距離並不算遠，但它們畢竟沒有發動機，也沒有線粒體。

比賽背後的技術含量不容小覷

參賽的納米車都是單個分子，賽道更是比頭髮絲還細，想要肉眼看到賽場上的緊張情況是不可能的事情。比賽的轉播靠的是 CNRS 獨特的四探針顯微鏡，這是世界上唯一一臺允許四名實驗人員同時操作的顯微鏡。四個探針不僅有觀測任務在身，還要給分子車施加光電脈衝，提供前進動力。但比賽規定，參賽隊伍不能用探針直接接觸到分子車。

賽前的準備歷日曠久。這場比賽原本是 CNRS 高級研究員 Christian Joachim 和圖盧茲第三大學教授 Gwénaël Rapenne 2013 年在一篇論文中的設想。歷經四年的籌備，與選擇普適的比賽場地、調節顯微鏡等挑戰，比賽於 4 月 28 日在一片金箔上拉開了帷幕。

而對於參賽者而言，他們面臨的困難更多：怎麼把分子車放上軌道？怎麼在顯微鏡下看到一個分子？車子會不會動？是用滑的還是用滾的？車卡在軌道的凹陷中怎麼辦？會不會有什麼不確定的事情發生？當然，未知的情況總是意味著新鮮的發現，這反而令科學家們感到興奮。

比如，俄亥俄山貓納米馬車隊在賽前發現，用於參賽的幾輛分子車當中，有一輛分子車四個輪子中的一個竟然掉了下來，車子因此沒辦法前進。研究人員很想看看真的讓這輛車參賽的話，在針鋒相對的賽場上會發生什麼，但即便不能參賽，這輛三輪車為什麼不動也能夠解決上面提到的一些疑惑。

比賽時間為 36 個小時，賽程包括兩次定向轉彎和一次衝刺，並且禁止衝撞別的車。由於位於圖盧茲的賽道只能容納四輛分子車，六支隊伍中的兩支——俄亥俄山貓隊和美國-奧地利納米大獎賽隊——被允許在自己實驗室顯微鏡下的軌道上參賽，但車手需要在圖盧茲遠程操作。

比賽很早就定下了勝負

比賽過程中，六支隊伍對著電腦屏幕各自操作顯微鏡的探針，用光電脈衝射擊分子車。首先，車手要清理賽道，並讓賽車就位——這一過程就花了 6 個小時。然後，隊伍在屏幕上找到他們的分子車，用探針瞄準發射脈衝推進，並且不能讓探針碰到納米車。一次脈衝可以令小車前進 0.3 納米，所以整個過程需要發射數百次脈衝。

而分子車接受電子之後，要麼能量增加，開始震動或是改變結構，通過形狀的改變顛簸前行；要麼受到靜電排斥，被靜電作用力推著向前行駛。

比賽開始後，來自萊斯大學的美國-奧地利隊的賽車“偶極競速者”一馬當先，約一個半小時就結束了比賽，時速達到了每小時 95 納米。這裡並沒有計算錯誤，因為美國-奧地利隊車速很快，他們特別向主辦方申請將起跑線提前了 50 納米。此外，隊伍還獲得批准使用了銀製的賽道，這種賽道對分子車有表面吸附作用，會降低車速。因為測試中在金賽道上車速太快，團隊甚至無法捕捉到小車的前進。

但組織者 Christian Joachim 告訴 NPR，“偶極競速者”的分子結構在金賽道上不夠穩定，這才是更換賽道的原因。基於這個考慮，主辦方把金賽道上的第一名——瑞士巴塞爾大學的瑞士隊的“瑞士納米改裝車”列為並列冠軍，後者在約 5 小時內完成了 133 納米的里程。

其它四支隊伍則表現出重在參與的氣度。其中兩輛分子車成功值回票價——法國納米車俱樂部隊的“綠色嬰兒車”和日本國家材料科學研究所材研魔力隊的“材研魔力車”因為結構太臃腫，幾乎沒怎麼動。另外兩輛賽車——俄亥俄山貓和德國納米風車公司隊的“風車”也沒有在規定時間內跑完全程，分別只跑了 45 和 11 納米。

分子車的結構是勝負的關鍵

英國南安普頓大學研究分子機器的化學家 Steve Goldup 沒有參加這次比賽，他提出了偶極競速者獲勝的關鍵：隊伍在分子量最小的情況下，讓分子的極性最大，這樣可以最大限度地利用電脈衝產生的力。

團隊也在賽前採訪中透露，賽車的兩個輪子是在五六種結構中選擇出來的。

分子量的巨大優勢在這裡體現出來。同樣有車輪的結構，主場作戰的圖盧茲第三大學的綠色嬰兒車，車身巨大，由一個連一個的芳環骨架構成，輪子則是四個三蝶烯結構，三個葉片繞軸旋轉。法國隊希望綠色嬰兒車將來能運輸碳60，即足球烯，所以才把車身做大。

而俄亥俄大學山貓納米車的車身雖然比綠色嬰兒車輕便，但受累於它的四個輪子，4-苯基吡啶外部圍繞著巨大的葫蘆脲結構，但並沒有化學鍵將其連接——這也是為什麼它會像開頭提到的那樣脫落。而巨大的輪子使得山貓納米車比綠色嬰兒車要重上 4 倍。

另外三個根本不像車的分子車則上演了一出小馬過河，各自顯示了結構選擇的重要性。

瑞士巴塞爾大學的瑞士納米改裝車跳出了桎梏，根本沒有做車輪。團隊利用了分子間的弱相互作用力來減少摩擦，讓賽車像磁懸浮一樣在賽道上前進，因此勇奪第一。

德國德累斯頓工業大學的風車更像是一枚手裡劍，四個乙烯基聯苯通過氫鍵連接成風車的形狀，因為結構對稱，它不需要特意轉向，每個方向都是前方。也正因如此，走直線對它來說似乎有點困難。

日本隊的材研魔力車有點像平衡車，但車輪並不能轉動，只能像毛毛蟲一樣蠕動，好在綠色嬰兒車在起跑線出了故障，讓日本隊不至於墊底。儘管如此，材研所的化學家還是對以新方式探索這種分子的前景感到興奮——不僅僅是科學上的合作，團隊也得到了豐田的贊助。

豐田不是唯一一家對這場比賽感興趣的公司，大眾和標緻雪鐵龍分別贊助了德國隊和法國隊。

納米車賽不僅是一場比賽，也是對分子機器的性能測試和控制實驗。未來幾年中，分子機器將有望用於組裝電路、分解垃圾或是捕獲能量，並且是在單個原子的水平上。去年的諾貝爾化學獎就授予了分子機器的先驅者們。

比賽冠軍美國-奧地利隊的領隊、萊斯大學的化學家 James Tour 說，“這是一個開端，預示著納米層級對障礙物與速度的控制，並將為更快的速度鋪平道路，最終做到貨物運輸和從局部到整體的裝配。”

比賽不僅成功實現了一些分子操縱的實驗，也很好地傳播了單分子顯微鏡的相關知識。Joachim 說，四探針顯微鏡的分辨率和表面化學上得到的成果將作為論文發表，而社交網絡上超過 10 萬人對比賽的關注也令人難忘。

在 NanoCarRace 的 YouTube 頻道上可以回顧這場比賽。祝你愉快。

題圖及文中圖片均來自 CNRS