原文以Drivers gear up for world’s first nanocar race为标题
发布在2017年4月19日的《自然》新闻上
原文作者：Davide Castelvecchi
化学家们操控分子车在微型黄金赛道上行驶。
今年四月，一场独一无二的竞赛在位于法国南部的一条精致的黄金赛道上上演，来自三大洲的六支团队参与了角逐。但这可不是什么超跑赛事：竞赛者们比拼的对象是单个分子。他们需要在36个小时内将单个分子移动100纳米——约为人类头发直径的千分之一。赛道位于实验室中，处于真空状态，温度略高于绝对零度。
研究者在位于法国图卢兹的材料制造与结构研究中心，使用扫描隧道显微镜(STM)观察分子。在全球首场“纳米赛车”大赛中，参赛者也使用了STM来驱动分子。
Hubert Raguet/CEMES/CNRS Photothèque
这场竞赛的联合组织者Christian Joachim说，将其宣传为全球首场“纳米赛车”大赛目的是吸引人们一睹纳米技术和分子机器的风采。Joachim是一位就职于此次大赛的举办地图卢兹材料制造与结构研究中心的化学家。在一次记者采访后，Joachim意识到，比起自己有关纳米技术的基础研究，公众明显对纳米汽车更感兴趣。于是，他联合了图卢兹第三大学的化学家Gwénaël Rapenne一起设计了这场竞赛。
该竞赛或许也能为希望进一步了解单个分子如何与表面相互作用的参赛者带来科学见解。参赛者表示，这类见解可能对催化剂的设计有帮助，从更长远的角度来看，或许也有助于开发用于运输货物或信息的分子尺度技术。“这是一场有许多人同时参与的大型实验，”Joachim说。（《自然-纳米技术》是本次竞赛的赞助方，独立于《自然》新闻团队。）
“风车”纳米汽车在表面上移动：摄于参赛者在德累斯顿训练期间。
事实上，“纳米汽车”一词并不准确，因为参与竞赛的分子并无马达。Joachim表示，未来的竞赛中可能会加入马达。人们甚至并不清楚，这些分子是否会像轮子上的卡车那样向前滚动：少数设计可能会，但大多数纳米汽车都没有车轴和车轮。
奥地利卡尔·弗朗岑斯格拉茨大学的物理学家Leonhard Grill说，“驾驶员”利用扫描隧道显微镜(STM)探针尖端的电子来驱动分子向前移动，一般一次只能移动0.3纳米左右，这使得100纳米成了一段“极其漫长的距离”。他是竞赛中一支美国-奥地利团队的联合领导者。
参赛者不能用STM探针来直接推动分子。一些团队利用传入的电子来提高分子的能态，使分子结构产生振动或变化，从而推动纳米汽车向前。其他人则将电子产生的静电排斥作为主要驱动力。日本国立材料研究所的有机化学家中西和嘉(Waka Nakanishi) 设计的纳米汽车拥有两组“翼片”，用STM探针驱动分子时，它们会像蝴蝶翅膀一样扇动（参见“分子竞赛”图示）。她表示，自己参赛的部分原因是利用图卢兹实验室的顶尖STM设备来更好地理解分子的行为。
美国俄亥俄大学的化学家Eric Masson想要弄清楚的是，他团队设计的纳米汽车的“车轮”（南瓜形状的原子团）是会在表面上滚动，还是简单地滑动。“我们希望进一步了解分子与表面相互作用的性质，”Masson说。
（你能从下图中猜到最终是哪辆纳米赛车赢了吗？）
Adapted from www.nanocar-race.cnrs.fr
观看赛车进行也是赛事的重要组成部分。在每次驱动分子前进的尝试后，团队就会花上3分钟时间，用STM扫描竞赛车道。此外，团队每小时都会制作一则简短的动画，并立即发布在网上。Joachim说，这样，每个人都能几乎实时地观看比赛。
在此之前，化学家们就已经制作出了有车轮和车轴，以及分子马达和开关的微型纳米汽车。2016年的诺贝尔化学奖被授予了纳米机器的创造者，这再次燃起了人们对该领域的热情。但Joachim表示，2016年诺奖得主主要研究的是溶液中较大数量的分子，而参与本次竞赛的研究者则专注于单分子与固体表面的相互作用。
不过，纳米尺度汽车的行为与真实汽车截然不同，因此很难找到它们的用武之地。在纳米尺度上，静电力处于支配性地位，随机的热振动会使得分子摆动不定。因此，Grill说，纳米机器的行为可能是意料之外、或者难以预测的。
图卢兹实验室的STM非比寻常，它拥有4个扫描探针（大部分设备只有1个），使得4支参赛团队能够同时比赛，使用金表面上的不同“路段”。决赛于当地时间4月28日上午11点开始，有6支团队争夺四强资格，在比赛中，参赛者将会面临大量障碍。Joachim说，单分子在比赛中常常会找不到方向或被困住；难度最大的部分可能是通过赛道的两个转弯。他认为，纳米汽车可能需要多次重新起动，才能走完规定距离，从而完成比赛。ⓝ
补充：纳米赛车官方最终排名：
该车赛现已经结束，最终冠军由来自美国-奥地利队的“偶极赛车”(1000nm/29h)和“瑞士纳米改装赛车”(133nm/6.5h)共同获得。亚军由“俄亥俄山猫纳米车”(43nm)获得，来自德国队的“风车”(11nm)荣获第三名。法国队的“绿色小马车”和日本队的“NIMS-MANA车”则无缘排名，分别获得“最美赛车”和“公平竞赛”奖。
(*排名结果来自Nanocar Race法国官网)
Nature|doi:10.1038/544278a
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