由美國(guó)西北大學(xué)化學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在表面科學(xué)方面取得突破，開(kāi)發(fā)出一種名為機(jī)械吸附的新吸附機(jī)制。研究表明，人工分子機(jī)器可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)吸附。研究結(jié)果在線發(fā)表在21日《科學(xué)》雜志上。

新研究展示了如何將人工分子機(jī)器(完全合成的分子部件，可以產(chǎn)生類(lèi)似機(jī)器的運(yùn)動(dòng))嫁接到表面上，以將環(huán)狀分子高濃度聚集到表面，存儲(chǔ)大量能量。這一技術(shù)在催化劑、能量?jī)?chǔ)存和環(huán)境修復(fù)等方面至關(guān)重要。

機(jī)械吸附由非平衡泵送在吸附劑(表面)和吸附物(分子)之間形成機(jī)械鍵而得名，其對(duì)許多不同分子的儲(chǔ)存和控制釋放具有重要意義。這一新吸附機(jī)制利用氧化還原和酸堿化學(xué)反應(yīng)將一系列環(huán)狀分子精確地吸附和脫附在固態(tài)二維金屬有機(jī)框架的表面上。

論文通訊作者、西北大學(xué)的弗雷澤·斯托達(dá)特爵士表示，這項(xiàng)研究是自20世紀(jì)30年代物理吸附和化學(xué)吸附成為研究的當(dāng)務(wù)之急以來(lái)，表面化學(xué)領(lǐng)域的第一次重大基礎(chǔ)性進(jìn)展。

2016年，斯托達(dá)特與另外兩名科學(xué)家因在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與合成方面取得突破而共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們發(fā)明了“全世界最小的機(jī)器”，將分子合成在一起，使其成為極微小的電機(jī)和傳動(dòng)裝置，比一根頭發(fā)絲的千分之一還要細(xì)。

斯托達(dá)特說(shuō)：“這種機(jī)械吸附機(jī)制與噴霧罐有一些共同的特點(diǎn)，在高壓下儲(chǔ)存，按下扳機(jī)就可以釋放。”然而，機(jī)械吸附的物質(zhì)即使在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的情況下也能保持機(jī)械平衡。觸發(fā)釋放的機(jī)制只涉及擴(kuò)散，且實(shí)際過(guò)程非常快。

在20世紀(jì)30年代，歐文·朗繆爾和約翰·倫納德—瓊斯觀察到，吸附物通過(guò)范德華作用(物理吸附)和/或電子相互作用(化學(xué)吸附)與表面相互作用。吸附通常被認(rèn)為是一個(gè)被動(dòng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，吸附物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)，因此表面吸附物的濃度總是朝著平衡方向變化。然而，在此次研究中，研究人員證明，可以使用人工分子機(jī)器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)吸附。

這項(xiàng)技術(shù)為廢物和污染物的隔離、貴金屬的回收、多相催化、多種形式的化學(xué)和生物分析與分離科學(xué)，以及許多其他技術(shù)提供了基礎(chǔ)，也為氫、二氧化碳和甲烷等氣體的儲(chǔ)存打開(kāi)新局面。

總編輯圈點(diǎn)

2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)讓人們知道了有一種納米尺度上的機(jī)械裝置，它們和宏觀機(jī)器一樣，但可以使細(xì)胞分裂，還可以像分子馬達(dá)。科學(xué)家們正發(fā)揮想象力讓這種小家伙更加智能，譬如有些能依據(jù)外部信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)改變，又譬如本文中，能在固體表面實(shí)現(xiàn)主動(dòng)募集和吸附分子。無(wú)疑，分子機(jī)器在發(fā)揮其巨大的潛在功能，就如化學(xué)家所言：其力量不在于我們?nèi)ダ斫馑谟谌?chuàng)造它，從而為人類(lèi)制造出前所未有的分子和材料工具。(實(shí)習(xí)記者張佳欣)