研究背景
随着科学技术的不断发展，人类对热力学第二定律的理解逐渐深入，并在其中发现了一个引人关注的悖论：麦克斯韦的恶魔。这个思想实验描述了一个“恶魔”如何在两个相邻的空间之间调节粒子流动，创造出一个潜在的梯度，而似乎不需要进行功。这一悖论引发了人们对热力学与信息理论之间关系的思考，以及信息在物理世界中的作用。这个悖论引起了科学家们的兴趣，他们开始尝试理解信息与热力学之间的关系，并寻求解决这一悖论的方法。在过去的几个世纪中，许多类似于麦克斯韦的恶魔的系统被引入，例如分子信息系统和分子泵。然而，这些系统在分子尺度上进行操作，因此对于如何将这些理论应用到更大尺度上的问题一直存在着疑问。因此，为了解决这一问题，剑桥大学Jonathan R. Nitschke课题组探索了如何在宏观尺度上实现麦克斯韦的恶魔。研究团队报道了一个功能性的麦克斯韦的恶魔的例子，该恶魔可以将物质泵送数厘米，而之前的例子则在分子尺度上运作。通过一个实验系统，该恶魔驱动了o-氟偶氮苯（FAB）在U形管装置的两臂之间进行定向输运。这一成果对理解麦克斯韦的恶魔和热力学第二定律的应用具有重要意义。以上研究在“Nature Chemistry”期刊上发表了题为“Harnessing Maxwell’s demon to establish a macroscale concentration gradient”的研究论文。通过这项研究，作者解决了如何将麦克斯韦的恶魔理论应用到宏观尺度的问题，并展示了实现这一目标的方法。通过使用光辐射和配位笼等技术，作者成功地实现了在宏观尺度上的物质输运和梯度生成。
图文解读
图1展示了三个方向输运系统的实验设置示意图。在图1a中，展示了配位笼1的结构，其中显示了形成四面体的六个配体之一。通过光照实验，可以观察到配位笼的结构变化，从而探索其在物质输运中的作用。在图1b中，展示了trans-FAB、cis-FAB和萘的结构及相应的符号。研究者通过实验观察到，在530nm的光照下，trans-FAB会发生异构化成cis-FAB，而在400nm时则发生相反过程。这些结构变化是实验中分子输运的关键过程。在图1c中，展示了实验U形管的不同配置。通过这些配置，研究者设计了不同的实验方案，如系统1依赖于两个FAB异构体之间的不同运输速率来推动系统远离平衡状态；系统2将额外的潜在能量梯度与系统结合在一起，推动系统进一步远离平衡状态；系统3将FAB在膜上建立的梯度与萘的逆流相结合，推动萘的分布偏离平衡状态。这些实验设计和结果展示了研究者对于物质输运和麦克斯韦恶魔概念的深入探索，为将来的研究提供了重要的参考。 在这项研究中，为了理解麦克斯韦的恶魔系统中FAB的方向输运过程，研究者首先在图2a展示了U形管配置，清楚地展示了系统1中两臂之间cis-FAB和trans-FAB的分布情况。通过该图，作者可以看到光照驱动下FAB异构体在两臂之间的传输路径。其次，图2b中展示了在正向输运过程中，臂I和臂II中FAB浓度的分布情况。从图中可以观察到，随着光照的作用，FAB的浓度在两臂之间发生了明显的变化，建立了稳态浓度梯度。图2c以卡通形式展示了麦克斯韦的恶魔系统的工作原理。通过这一图示，作者可以理解恶魔如何在两个隔室之间调节FAB的通过，从而建立浓度梯度。最后，图2d展示了不同阶段系统中trans-和cis-FAB的总浓度变化。通过实验数据和模型预测的对比，作者可以看到实验结果与模型预测吻合较好，验证了研究者对系统行为的理解。这些结果有助于作者更好地理解光驱动的分子传输系统的工作原理，为未来开发基于光驱动的分子传输技术提供了重要参考。 图2. 系统1中FAB方向输运的状态示意图和结果摘要。为了进一步探索FAB运输系统，研究者进行了系统2和系统3的实验，引入了竞争性客体萘。在系统2中，将trans-FAB和naphthalene分别装载到U型管的两个臂中，并连续进行光照。结果显示，萘的存在促进了cis-FAB向臂II的净转运，并伴随着naphthalene向臂I的净转运。在20天后，两种物质的重新分配达到了平衡，臂I和II中的FAB和萘的浓度分别为7.3 mM（36%）、13 mM（64%）和5.4 mM（48%）、4.7 mM（42%）。这表明萘的加入不仅加强了FAB的重新分配，还减少了水膜中FAB的存储量。此外，实验还显示，萘的存在使得臂I和II之间FAB的总浓度差异更大，为6 mM，而且在总浓度上也更高。逆向过程中，FAB的差异较小，因为萘的分布不同导致了初始势能的不同。在系统3中，进一步引入了萘，以探究其对系统的影响。结果显示，在相同的FAB浓度条件下，系统3中FAB的分布更偏离平衡，臂I和II的FAB最终浓度分别为33%（6.7 mM）、55%（11 mM）和53%（11 mM）、40%（8.1 mM）。同时，作者也观察到了萘的不平衡转运行为，即使在逆向过程中，萘的浓度差异也是相反的。这些发现表明萘的引入不仅增加了FAB的分离效果，还改变了系统的动力学行为。 图3：系统2和系统3中U形管两臂中萘和FAB的分布情况。
结论展望
本研究展示了如何利用分子机器实现方向性物质运输，从而开辟了一条新的研究路径。通过将光能转化为化学梯度，作者成功地构建了一个能够在宏观尺度上驱动物质运输的系统，这一成果扩展了对马克思·普朗克 “魔鬼”思想的理解。此外，作者还展示了如何通过引入竞争性物种来进一步推动系统远离平衡状态，为开发新的化学分离方法提供了思路。这一研究还为理解分子机器如何在生物体内进行物质传输提供了重要参考。这种在化学合成中利用光能实现有选择性物质运输的方法，有望在制备高效分子传输系统和新型分子分离技术方面产生重要影响。因此，本研究为探索分子驱动的化学过程提供了新的思路，为应对全球经济脱碳挑战提供了有益的科学基础。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
