賽車作為一項(xiàng)已經(jīng)有一百多年歷史的賽事，如今可以稱得上人盡皆知了。無論是我們小時(shí)候看的四驅(qū)兄弟這一類動(dòng)畫片，還是玩過的賽車游戲，亦或在電視上看到的方程式賽車，拉力賽等，「一言不合就開車」這件事情大概早就已經(jīng)融入到人類的文化之中了。

雖然現(xiàn)在「開車」這件事情已經(jīng)很容易讓人產(chǎn)生奇怪的聯(lián)想，但是我們今天還是要一本正經(jīng)地來聊一聊開車這件事情。當(dāng)然我們開的車不是現(xiàn)實(shí)的車，而是只有分子大小的納米小車車。

沒有時(shí)間解釋了，快上車

納米小車車

巧婦也難為無米之炊。

想要開車，你首先要有車啊。現(xiàn)代汽車的發(fā)明得益于熱力學(xué)和現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們可以在原理上設(shè)計(jì)出具有更高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)。我們現(xiàn)在語境下的汽車其實(shí)不外乎這樣兩個(gè)要求，有四個(gè)以上的輪子，自己能提供動(dòng)力。暫且就先把條件定在這兩個(gè)吧...

我們就先從輪子開始說起。不瞞大家，最開始做出來的有點(diǎn)像車的樣子的納米小車還是為了研究富勒烯在金屬表面是怎么運(yùn)動(dòng)的?[2]。富勒烯也被稱為足球烯，C60，每個(gè)分子都是由 60 個(gè)碳原子，組成五邊形或者六邊形拼成足球的樣子。一個(gè)球在表面運(yùn)動(dòng)其實(shí)就三種狀態(tài)，滾動(dòng)，滑動(dòng)，連滾帶滑。這個(gè)研究不知道怎么陰差陽錯(cuò)，就變成了現(xiàn)在的這個(gè)模樣。當(dāng)然，最后的結(jié)果肯定是滾動(dòng)，不然也就沒有后面關(guān)于納米小車的一系列事情了。

其實(shí)講到納米小車車，我們不得不提到 Tour 大叔(James Tour)，他在實(shí)驗(yàn)室中合成了一堆的納米小車，前前后后一共在這上面發(fā)表了 20 多篇研究論文?[3]。說實(shí)話，這個(gè)名字和可充電鋰離子電池的發(fā)明者「足夠好」，Goodenough 教授有得一拼啊。刺激 Tour 大叔生產(chǎn)這么一大堆納米小車車這個(gè)想法的最初來源可能已經(jīng)很難考證了，可能 Tour 大叔人如其名，平時(shí)喜歡駕車旅行。

最早的車子大概長(zhǎng)這個(gè)樣子，他們一共造出來三輪車和四輪車兩個(gè)版本。很遺憾，三輪車只能在表面不斷原地打轉(zhuǎn)，四輪車才能沿著軸向方向運(yùn)動(dòng)。關(guān)于納米小車的研究并沒有就此止步，什么都擋不住他們不斷膨脹的開車的欲望。在此之上，他們又開發(fā)出了「納米卡車」，

以及可以玩接龍的納米火車，

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還有改進(jìn)版的在光的照射下更加穩(wěn)定的車輪。更多小車圖片可以去 Tour 大叔主頁查看?[7]。

讓車跑起來

其實(shí)上面提到的這些分子，也就是納米小車，其實(shí)還缺乏一些動(dòng)力來源。人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到的這些分子在表面運(yùn)動(dòng)，其實(shí)都是因?yàn)?strong>熱的作用。因?yàn)闇囟容^高，分子的熱運(yùn)動(dòng)很劇烈，所以這些分子就動(dòng)了起來。

在 2011 年，伯納德·費(fèi)林加在 Nature 上發(fā)表了一篇關(guān)于用分子馬達(dá)驅(qū)動(dòng)擁有四個(gè)輪子的納米小車車的研究?[8]?！钙嚒沟妆P前后連接著的是兩個(gè)對(duì)稱性相反的分子，在通電以后，兩個(gè)分子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)小車車前進(jìn)。

這個(gè)故事還有一點(diǎn)后話，因?yàn)榉肿訖C(jī)器設(shè)計(jì)與合成方面的貢獻(xiàn)，他獲得了 2016 年的諾爾貝化學(xué)獎(jiǎng)。真不愧「老司機(jī)」啊~

除此之外，用電流也可以驅(qū)動(dòng)納米小車開動(dòng)起來。有的分子在通上電流以后，可能產(chǎn)生正負(fù)電荷中心錯(cuò)位，也就是極化，同樣能夠推動(dòng)分子不斷前進(jìn)。

獨(dú)樂樂不如眾樂樂

隨著「開車」的人越來越多，獨(dú)樂樂不如眾樂樂，大家甚至開始籌劃起了納米小車車競(jìng)速賽。

其實(shí)想要玩納米小車車的門檻還挺高的，只有在極低溫（5K）和超高真空（十萬億分之一大小的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）環(huán)境下才完成賽道的組裝和賽車的全過程，賽事的總時(shí)長(zhǎng)必須控制在兩天兩夜以內(nèi)。而且因?yàn)閮x器的限制，每個(gè)參賽者在比賽前需要自行構(gòu)建一模一樣的賽道。比賽規(guī)則要求賽道「路障」之間的距離不得大于 4 nm，而且至少需要設(shè)置 5 個(gè)路障。[9]

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第一屆納米小車車競(jìng)賽已經(jīng)在 2017 年落下帷幕，比賽過程真的可謂是跌宕起伏。比賽的組織者最開始其實(shí)只想著大概有 4 支隊(duì)伍能夠參加就不錯(cuò)了，因?yàn)樽罱K比賽用的儀器里面一共有四個(gè)用來推動(dòng)納米小車車的針尖，大家一起在同一塊金屬上同步進(jìn)行操作。不過后來隨著隊(duì)伍越來越多，經(jīng)過篩選，最后參與比賽的達(dá)到了 6 支，最終比賽時(shí)部分選手只能遠(yuǎn)程遙控位于別處的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行比賽。

?這個(gè)比賽對(duì)于納米小車也有一定限制。小車不能太大，也不能太小，要在 100-1000 個(gè)原子之間。而且這些納米小車一定要能夠分清頭和尾。在操作過程中，不能直接用力學(xué)方法推動(dòng)小車，而是需要使用量子隧穿產(chǎn)生的隧道電流為小車提供動(dòng)力。

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Tour 大叔的納米小車車自然也參與了比賽，拿下了并列第一，并創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)在金屬銀表面最長(zhǎng)和最快的單分子納米小車移動(dòng)記錄。在該比賽還分別給參加比賽的最大的納米小車和最美麗的納米小車分別頒發(fā)了特別獎(jiǎng)。而來自日本小組最終獲得了「公平競(jìng)爭(zhēng)」獎(jiǎng)，因?yàn)檐浖罎?，他們難以復(fù)原納米小車的位置；而在好不容易又讓納米小車剛跑出 1nm，軟件第二次崩潰了……考慮到可能會(huì)影響其他選手，他們最終只能遺憾退賽。[10]

你也許以為這個(gè)比賽是很隨意的「日常開車」，但是這場(chǎng)僅有 6 個(gè)參賽隊(duì)伍的比賽的贊助商，還有標(biāo)致雪鐵龍、豐田和大眾等現(xiàn)實(shí)中的汽車企業(yè)。所以這波車還是開得很溜的。

目前大家正在積極地籌劃第二屆納米小車車競(jìng)賽，預(yù)注冊(cè)階段已經(jīng)有 13 支隊(duì)伍報(bào)名了該比賽，這里面還有兩只來自中國(guó)的隊(duì)伍?？垂倬W(wǎng)上的時(shí)間表，不出意外的話，屆時(shí)該比賽將會(huì)在 2021 年正式和大家見面，還會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上直播全過程哦。[11,12]

直播開車，不知道你們期不期待~

[1]?富勒烯 - 維基百科?https://en.wikipedia.org/wiki/Fullerene

[2]?Nanocar - wikipedia?https://en.wikipedia.org/wiki/Nanocar

[3]?有哪些人除了自身主業(yè)做得好，副業(yè)也做得很厲害卻不被大多數(shù)人所知？ - 成楚旸的回答 - 知乎?https://www.zhihu.com/question/25908339/answer/34917193

[4]?Shirai, Yasuhiro, et al. "Directional control in thermally driven single-molecule nanocars."?Nano Letters?5.11 (2005): 2330-2334.

[5] Shirai, Yasuhiro, et al. "Surface-rolling molecules."?Journal of the American Chemical Society?128.14 (2006): 4854-4864.

[6]?Sasaki, Takashi, et al. "Nanotrains and self-assembled two-dimensional arrays built from carboranes linked by hydrogen bonding of dipyridones."?Nano Research?1.5 (2008): 412-419.

[7]?Tour 大叔的納米小車圖鑒??https://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/

[8]?Kudernac, Tibor, et al. "Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface."?Nature479.7372 (2011): 208.

[9]?第二屆國(guó)際納米小車競(jìng)速賽規(guī)則介紹??https://www.memo-project.eu/flatCMS/data/_uploaded/downloads/nanocar-race-II.pdf

[10]?第一屆國(guó)際納米小車競(jìng)速賽介紹?http://www.cemes.fr/Molecule-car-Race?lang=fr

[11]?www.memo-roject.eu/flatCMS/index.php/News

[12]?第二屆國(guó)際納米小車競(jìng)速賽時(shí)間表?http://www.memo-project.eu/flatCMS/index.php/Timeline

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