人工分子机器的主动吸附

西北大学化学家领导的研究团队在表面科学方面取得了突破，开发了一种新的吸附机制，称为机械吸附。研究表明，人工分子机器可以实现主动吸附。研究结果于21日在线发表在《科学》杂志上。

新的研究展示了如何将人工分子机器(一种完全合成的可以产生机器般运动的分子组件)嫁接到表面，从而在表面聚集高浓度的环状分子并储存大量能量。该技术在催化剂、能量储存和环境修复方面非常重要。

机械吸附因吸附剂(表面)与被吸附物(分子)之间通过非平衡泵吸形成机械键而得名，对许多不同分子的储存和控制释放具有重要意义。这种新的吸附机制利用氧化还原和酸碱化学反应，在固体二维金属有机骨架表面精确吸附和解吸一系列环状分子。

通讯作者、西北大学的弗雷泽斯托达特爵士说，这项研究是自20世纪30年代物理吸附和化学吸附成为重中之重以来，表面化学领域的第一个重大基础进展。

2016年，斯托达特和另外两位科学家因在分子机器的设计和合成方面取得突破而获得诺贝尔化学奖。他们发明了“世界上最小的机器”，它将分子结合在一起，使其成为一个微小的马达和传动装置，比千分之一根头发还细。

斯托达特说：“这种机械吸附机制与喷雾罐有一些共同的特点。在高压下储存时，按下扳机即可释放。”然而，机械吸附的物质即使远离热力学平衡也能保持机械平衡。触发释放的机制只涉及扩散，实际过程非常快。

20世纪30年代，欧文朗缪尔和约翰伦纳德-琼斯观察到吸附质通过范德华相互作用(物理吸附)和/或电子相互作用(化学吸附)与表面相互作用。吸附一般被认为是一个被动过程，吸附质从高浓度区向低浓度区移动，因此表面吸附质的浓度总是向平衡方向变化。然而，在这项研究中，研究人员已经证明，使用人工分子机器可以实现主动吸附。

该技术为废物和污染物的分离、贵金属的回收、多相催化、各种形式的化学和生物分析与分离科学等诸多技术提供了基础，也为氢气、二氧化碳和甲烷等气体的储存开辟了新的前景。

2016年诺贝尔化学奖让人们知道了有一种纳米尺度的机械装置，它和宏观机器一样，但它可以分裂细胞，也可以像分子马达一样。科学家们正在利用他们的想象力让这个小家伙变得更加聪明，比如，有些可以根据外部信号进行调整和改变，比如，在这篇论文中，他们可以主动收集和吸附固体表面的分子。毫无疑问，分子机器正在发挥其巨大的潜在功能，正如化学家所说：它的力量不在于我们理解它，而在于创造它，从而为人类创造出前所未有的分子和物质工具。