研究背景
隨著科學技術的不斷發展，人類對熱力學第二定律的理解逐漸深入，并在其中發現了一個引人關注的悖論：麥克斯韋的惡魔。這個思想實驗描述了一個“惡魔”如何在兩個相鄰的空間之間調節粒子流動，創造出一個潛在的梯度，而似乎不需要進行功。這一悖論引發了人們對熱力學與信息理論之間關系的思考，以及信息在物理世界中的作用。這個悖論引起了科學家們的興趣，他們開始嘗試理解信息與熱力學之間的關系，并尋求解決這一悖論的方法。在過去的幾個世紀中，許多類似于麥克斯韋的惡魔的系統被引入，例如分子信息系統和分子泵。然而，這些系統在分子尺度上進行操作，因此對于如何將這些理論應用到更大尺度上的問題一直存在著疑問。因此，為了解決這一問題，劍橋大學Jonathan R. Nitschke課題組探索了如何在宏觀尺度上實現麥克斯韋的惡魔。研究團隊報道了一個功能性的麥克斯韋的惡魔的例子，該惡魔可以將物質泵送數厘米，而之前的例子則在分子尺度上運作。通過一個實驗系統，該惡魔驅動了o-氟偶氮苯（FAB）在U形管裝置的兩臂之間進行定向輸運。這一成果對理解麥克斯韋的惡魔和熱力學第二定律的應用具有重要意義。以上研究在“Nature Chemistry”期刊上發表了題為“Harnessing Maxwell’s demon to establish a macroscale concentration gradient”的研究論文。通過這項研究，作者解決了如何將麥克斯韋的惡魔理論應用到宏觀尺度的問題，并展示了實現這一目標的方法。通過使用光輻射和配位籠等技術，作者成功地實現了在宏觀尺度上的物質輸運和梯度生成。
圖文解讀
圖1展示了三個方向輸運系統的實驗設置示意圖。在圖1a中，展示了配位籠1的結構，其中顯示了形成四面體的六個配體之一。通過光照實驗，可以觀察到配位籠的結構變化，從而探索其在物質輸運中的作用。在圖1b中，展示了trans-FAB、cis-FAB和萘的結構及相應的符號。研究者通過實驗觀察到，在530nm的光照下，trans-FAB會發生異構化成cis-FAB，而在400nm時則發生相反過程。這些結構變化是實驗中分子輸運的關鍵過程。在圖1c中，展示了實驗U形管的不同配置。通過這些配置，研究者設計了不同的實驗方案，如系統1依賴于兩個FAB異構體之間的不同運輸速率來推動系統遠離平衡狀態；系統2將額外的潛在能量梯度與系統結合在一起，推動系統進一步遠離平衡狀態；系統3將FAB在膜上建立的梯度與萘的逆流相結合，推動萘的分布偏離平衡狀態。這些實驗設計和結果展示了研究者對于物質輸運和麥克斯韋惡魔概念的深入探索，為將來的研究提供了重要的參考。 在這項研究中，為了理解麥克斯韋的惡魔系統中FAB的方向輸運過程，研究者首先在圖2a展示了U形管配置，清楚地展示了系統1中兩臂之間cis-FAB和trans-FAB的分布情況。通過該圖，作者可以看到光照驅動下FAB異構體在兩臂之間的傳輸路徑。其次，圖2b中展示了在正向輸運過程中，臂I和臂II中FAB濃度的分布情況。從圖中可以觀察到，隨著光照的作用，FAB的濃度在兩臂之間發生了明顯的變化，建立了穩態濃度梯度。圖2c以卡通形式展示了麥克斯韋的惡魔系統的工作原理。通過這一圖示，作者可以理解惡魔如何在兩個隔室之間調節FAB的通過，從而建立濃度梯度。最后，圖2d展示了不同階段系統中trans-和cis-FAB的總濃度變化。通過實驗數據和模型預測的對比，作者可以看到實驗結果與模型預測吻合較好，驗證了研究者對系統行為的理解。這些結果有助于作者更好地理解光驅動的分子傳輸系統的工作原理，為未來開發基于光驅動的分子傳輸技術提供了重要參考。 圖2. 系統1中FAB方向輸運的狀態示意圖和結果摘要。為了進一步探索FAB運輸系統，研究者進行了系統2和系統3的實驗，引入了競爭性客體萘。在系統2中，將trans-FAB和naphthalene分別裝載到U型管的兩個臂中，并連續進行光照。結果顯示，萘的存在促進了cis-FAB向臂II的凈轉運，并伴隨著naphthalene向臂I的凈轉運。在20天后，兩種物質的重新分配達到了平衡，臂I和II中的FAB和萘的濃度分別為7.3 mM（36%）、13 mM（64%）和5.4 mM（48%）、4.7 mM（42%）。這表明萘的加入不僅加強了FAB的重新分配，還減少了水膜中FAB的存儲量。此外，實驗還顯示，萘的存在使得臂I和II之間FAB的總濃度差異更大，為6 mM，而且在總濃度上也更高。逆向過程中，FAB的差異較小，因為萘的分布不同導致了初始勢能的不同。在系統3中，進一步引入了萘，以探究其對系統的影響。結果顯示，在相同的FAB濃度條件下，系統3中FAB的分布更偏離平衡，臂I和II的FAB最終濃度分別為33%（6.7 mM）、55%（11 mM）和53%（11 mM）、40%（8.1 mM）。同時，作者也觀察到了萘的不平衡轉運行為，即使在逆向過程中，萘的濃度差異也是相反的。這些發現表明萘的引入不僅增加了FAB的分離效果，還改變了系統的動力學行為。 圖3：系統2和系統3中U形管兩臂中萘和FAB的分布情況。
結論展望
本研究展示了如何利用分子機器實現方向性物質運輸，從而開辟了一條新的研究路徑。通過將光能轉化為化學梯度，作者成功地構建了一個能夠在宏觀尺度上驅動物質運輸的系統，這一成果擴展了對馬克思·普朗克 “魔鬼”思想的理解。此外，作者還展示了如何通過引入競爭性物種來進一步推動系統遠離平衡狀態，為開發新的化學分離方法提供了思路。這一研究還為理解分子機器如何在生物體內進行物質傳輸提供了重要參考。這種在化學合成中利用光能實現有選擇性物質運輸的方法，有望在制備高效分子傳輸系統和新型分子分離技術方面產生重要影響。因此，本研究為探索分子驅動的化學過程提供了新的思路，為應對全球經濟脫碳挑戰提供了有益的科學基礎。Pruchyathamkorn, J., Nguyen, BN.T., Grommet, A.B. et al. Harnessing Maxwell’s demon to establish a macroscale concentration gradient. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01549-2
