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從捕獲溫室氣體到發(fā)明無限可循環(huán)材料，再到探索生命如何從無到有，化學(xué)始終活躍在人類面臨重大生存挑戰(zhàn)的最前沿?；瘜W(xué)家們通過各種手段重組分子、發(fā)明新材料，創(chuàng)造了一個又一個奇跡?，F(xiàn)代化學(xué)究竟有多少神奇“魔法”？來看化學(xué)改變世界的七大最新進(jìn)展。

（圖片來源：視覺中國）

1 人造葉子 完美的人工光合作用

植物攝取能量的本領(lǐng)令人類羨慕萬分，它們可通過光合作用自行產(chǎn)生所需要的能量，同時消耗溫室氣體二氧化碳。要知道，人類為獲取能源而燃燒化石燃料，由此釋放出的大量溫室氣體導(dǎo)致氣候變暖，這給人類帶來了巨大生存困境。如果我們能學(xué)會模仿植物的這一技能并大規(guī)模推廣，是否就能通過將陽光液化，創(chuàng)造出一種清潔綠色的燃料？

遺憾的是，光合作用是一種難以復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)。它涉及捕捉陽光、分解水分子產(chǎn)生質(zhì)子，并將這些質(zhì)子與二氧化碳中的碳原子結(jié)合，最終產(chǎn)生以糖的形式存在的燃料等多個步驟。在自然界中，這些工作是由經(jīng)過數(shù)億年進(jìn)化的蛋白質(zhì)完成的，而它們只能以不超過1%的效率轉(zhuǎn)化太陽能。

不過，科學(xué)家仍不愿放棄這個美妙的夢想。十年前，美國哈佛大學(xué)化學(xué)家丹尼爾·諾塞拉朝著實現(xiàn)人造葉子的目標(biāo)邁出了第一步，他開發(fā)了可以分解水的鎳鈷催化劑。然而，此后這方面的研究一直進(jìn)展緩慢。

后來，科學(xué)家意識到，可將人工葉子中的化學(xué)與生物學(xué)精髓結(jié)合起來，研制仿生葉子。仿生葉子的制造通常采用能有效吸收陽光的材料，以及可將燃料分子拼接在一起的天然蛋白質(zhì)。

英國劍橋大學(xué)歐文·賴斯納領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊最近使用了一種鈣鈦礦材料來收集光線，將其與一種叫做甲酸脫氫酶的酶結(jié)合，產(chǎn)生的仿生葉可將光線轉(zhuǎn)換為甲酸。甲酸是燃料電池中的一種化學(xué)物質(zhì)，能量轉(zhuǎn)換率達(dá)1%——這就可與大自然中植物的能量轉(zhuǎn)換率相媲美。

▲科學(xué)家研發(fā)的第一個人工光合作用系統(tǒng)（nano letter 2014年15期）

2016年，諾塞拉公開了他的一項發(fā)明，這個系統(tǒng)利用可分解水的催化劑產(chǎn)生質(zhì)子和電子，為生物工程細(xì)菌提供養(yǎng)分。這套裝置利用陽光將二氧化碳轉(zhuǎn)換為燃料和生物質(zhì)，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)11%?！巴昝廊斯す夂献饔玫男适谴笞匀恢泄夂献饔玫?0到100倍?！敝Z塞拉說。

目前，化學(xué)家已經(jīng)在一定程度上解決了人造葉子的問題。在諾塞拉看來，這不只是一個化學(xué)問題，甚至也不再是一個技術(shù)問題。他認(rèn)為，之所以不能做到讓所有人都用人造葉子生產(chǎn)的燃料來駕駛汽車，更多原因是缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施。

2 分子機(jī)器 改變未來材料設(shè)計

十八世紀(jì)后期，活塞與棘輪，這些簡單的機(jī)械裝置被結(jié)合起來，構(gòu)成了可代替人工的生產(chǎn)機(jī)器，其影響力之廣泛，無人能夠否認(rèn)。如今，化學(xué)家們開發(fā)的分子機(jī)器，其開拓性和顛覆性影響堪與蒸汽機(jī)比肩。有所不同的是，前者的制造材料是鋼鐵，而后者則是原子。

簡單的分子機(jī)器已存在了約二十年。分子輪就是一種早期的分子機(jī)器，它能沿軸上下移動，形成一種類似于活塞的結(jié)構(gòu)。最早分子機(jī)器的發(fā)明者是美國伊利諾伊州西北大學(xué)的弗雷澤·斯托達(dá)特、荷蘭格羅寧根大學(xué)的本·費林加，以及法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓·皮埃爾·索瓦奇，三人因此于2016年獲得諾貝爾化學(xué)獎。

現(xiàn)今科學(xué)家正在制造和測試更多用途廣泛的分子機(jī)器。幾年前，美國得克薩斯州休斯敦萊斯大學(xué)的詹姆斯·圖爾和他的同事們發(fā)明了一種可以穿透細(xì)胞膜的分子機(jī)器，這種“鉆孔”分子機(jī)器可讓藥物順利通過細(xì)胞膜，以提高藥物的針對性和療效。

分子設(shè)備還可用來制造更加復(fù)雜的分子機(jī)器，潛力巨大。生物體一直在利用大自然中的生物分子機(jī)器進(jìn)行著許多有用的工作。例如，核糖體就是用來組裝蛋白質(zhì)的一種生物分子機(jī)器。它按照特定順序?qū)被岱肿咏M合在一起，創(chuàng)造出從指甲中的角蛋白到免疫系統(tǒng)中的抗體等一系列令人驚嘆的物質(zhì)。

英國曼徹斯特大學(xué)的大衛(wèi)·利一直致力于人工合成核糖體。他設(shè)計出一種沿著線性軌跡移動的環(huán)形分子，移動過程中“拾取”一個個分子并將它們拼接在一起。去年，大衛(wèi)與他的團(tuán)隊將兩三臺這樣的分子機(jī)器結(jié)合在一起，生產(chǎn)出以設(shè)定順序排列的含有10個氨基酸的肽分子。

大衛(wèi)的分子機(jī)器暫時還無法超越大自然中分子機(jī)器的水平，但他們還在繼續(xù)努力。雖然目前還只能合成大約20個氨基酸的核糖體，但人工合成核糖體有著很大的選擇優(yōu)勢，“我們有一整個元素周期表上的元素可以選用，分子機(jī)器將從根本上改變材料設(shè)計的未來”。

▲分子機(jī)器可以搭載藥物，精準(zhǔn)運送到病灶（nobelprize官網(wǎng)）

3 捕獲甲烷 延緩氣候變暖腳步

我們通常將全球變暖歸咎于二氧化碳，但還有一種主要的溫室氣體也在破壞著我們頭頂上的那片天空，它就是甲烷。雖然排放到大氣中的甲烷數(shù)量遠(yuǎn)低于二氧化碳，但在最初的20年中，甲烷導(dǎo)致的變暖效應(yīng)卻是二氧化碳的80多倍。

甲烷是從牲畜體內(nèi)和下水管道中排放出來的氣體，它可與氧化亞氮發(fā)生反應(yīng)，使臭氧氣體更接近于地球表面。在接近地球表面的位置上，臭氧會引起人們的呼吸問題，并與全球每年100萬人的過早死亡有關(guān)。

清除空氣中的甲烷有助于阻止氣溫上升，為減緩氣候變暖贏得時間。根據(jù)美國加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的羅伯·杰克遜及其同事的最新估計，每從大氣中去除十億噸甲烷，地球表面溫度可降低約0.2℃。

眾所周知，二氧化碳捕獲技術(shù)已存在多年，它通過與溶劑結(jié)合的可逆化學(xué)反應(yīng)，捕獲發(fā)電站煙道中的二氧化碳，并將其深埋于地下。但同樣的溶劑用來吸收甲烷并不那么有效，其中一個原因是甲烷的分子形狀使得溶劑分子不太容易“包裹”在它們周圍。

一種解決方案是放棄捕獲甲烷，轉(zhuǎn)而通過化學(xué)方法將甲烷轉(zhuǎn)化為二氧化碳，將額外的二氧化碳釋放到大氣中。雖然這種方案聽起來似乎相當(dāng)不明智，但考慮到甲烷危害更甚于二氧化碳，這也許是一個有積極意義的舉措?！搬尫诺酱髿庵械募淄樽罱K都會轉(zhuǎn)換成二氧化碳，而我們要做的就是加速這個轉(zhuǎn)換過程?！苯芸诉d說。美國大多數(shù)州在處理填埋地甲烷泄漏問題時，都會將特制的充滿微生物的覆蓋物置于填埋物上，利用微生物將甲烷轉(zhuǎn)換為二氧化碳。

另一種替代方案是沸石。沸石是一種多孔材料，但其隧孔只有原子大小，其間可充斥大量分子。某些沸石可用來吸收甲烷，然后通過催化反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為甲醇——一種用于化學(xué)工業(yè)的有用物質(zhì)?；瘜W(xué)家們已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種可以實施這一方案的沸石，雖然目前這一技術(shù)還不成熟，但其發(fā)展前景與潛力都很不錯。

4 完美電池 性能卓越有益環(huán)境

停止燃燒化石燃料的關(guān)鍵是風(fēng)力、太陽能等可再生能源能夠保障持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。但在沒有風(fēng)或陽光的日子里，我們就需要用到儲存的電力，這在許多情況下就要用到電池。

然而，電池本身也可能引發(fā)環(huán)境問題。例如，電動汽車中的可充電鋰電池需要用到鋰等多種金屬。但在地球上有大量鋰儲量的地方很少，而且從鋰鹽中提取鋰需要消耗大量水，而開采鋰輝石也會對環(huán)境造成不利影響。因此，化學(xué)家希望設(shè)計出對環(huán)境更友好的電池。

鋰離子很小，這意味著鋰電池可在小而輕的空間中提供大量電力。用于電池的還有比鋰離子稍大一點的鈉離子。鈉在海水中含量豐富，對于一些非便攜式應(yīng)用，如儲存太陽能發(fā)電的電力，鈉離子電池也是一種很好的選擇。英國公司Faradion已將鈉離子電池用于印度的重型卡車上。

▲未來電池將具有更高性能，而且對環(huán)境更友好

可用于電池的化學(xué)物質(zhì)還有很多，例如鎂離子。但問題是，改變電荷載體就意味著要重新設(shè)計電池的其他部分。電極是所有電池的關(guān)鍵部件，鋰離子電池的電極用鈷，這種金屬所產(chǎn)生的環(huán)境問題甚至比鋰更嚴(yán)重，其開采條件惡劣，礦產(chǎn)資源也極為稀缺。

理想的情況是，設(shè)計出不含鈷的新電池系統(tǒng)。這需要對多種材料的組合進(jìn)行反復(fù)嘗試，以找到高性能和可持續(xù)性的最佳點，這個過程非常耗時。在我們擁有完美的電池之前，可能仍需要大量的實驗和嘗試。

5 可循環(huán)材料 應(yīng)對塑料垃圾危機(jī)

在原子之間形成化學(xué)鍵是化學(xué)家的得意之作。但因此造成的一些嚴(yán)重環(huán)境問題令人擔(dān)憂，大量塑料廢棄物最終被焚燒、填埋或漂浮在海洋中，塑料垃圾正在污染我們的土地和海洋?；瘜W(xué)家們的應(yīng)對之策是努力開發(fā)出可無限次回收的材料。

塑料是一種高分子聚合物，這也正是它們很難降解或回收的原因——剪斷這些強(qiáng)化學(xué)鍵，通常是一個棘手的化學(xué)問題。如今，科學(xué)家在對一些主要塑料制品的處理方面已取得了不同程度的進(jìn)展。例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是用于制造塑料瓶的材料，這類塑料廢棄物是可以回收利用的，通過簡單方法切碎重新制成新瓶子。

但還有其他一些重要塑料制品的處理要困難得多。例如，普遍用于雙層玻璃窗以及其他多種用途的聚氯乙烯（PVC），對于化學(xué)家來說，處理這些塑料廢棄物“簡直是一場噩夢”。英國謝菲爾德大學(xué)的化學(xué)家安東尼·瑞安說，目前還沒有回收PVC的好方法，即使回收，最終得到的氯乙烯，也是一種會增加癌癥風(fēng)險的有毒化合物。

為此，化學(xué)家的對策之一就是設(shè)計可將塑料分解成可重復(fù)使用分子的化學(xué)反應(yīng)新程式。美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的蘇珊娜·斯科特最近開發(fā)了一種技術(shù)，使用催化劑將聚烯烴塑料（包括聚乙烯在內(nèi)的一組塑料制品）分解成更小的分子，分解得到的小分子可用于生產(chǎn)洗滌劑、油漆或藥物等。

▲新的塑料生產(chǎn)工藝將使塑料廢棄時直接分解成可循環(huán)利用的小分子

新的塑料設(shè)計理念是從一開始就規(guī)劃好其未來歸宿，從而解決塑料廢棄物污染環(huán)境的問題?；瘜W(xué)家們正在設(shè)計的塑料可無限循環(huán)使用，或者在廢棄之后可分解成滋養(yǎng)土壤的物質(zhì)。

例如，美國加州大學(xué)伯克利分校徐婷教授在塑料中加入微型含酶膠囊。這種塑料可以加工、加熱和拉伸成為有用的物品，被廢棄后，只需在溫水中浸泡一周左右，其中所含的酶就會被釋放出來，將塑料“消化”成小分子。如果我們想要消除塑料垃圾的危害，就需要大量這樣的創(chuàng)新設(shè)計。

6 “機(jī)器人化學(xué)家” 新藥合成的最強(qiáng)助手

現(xiàn)代化學(xué)最具傳奇色彩的成就也許是全合成。這是一種提取簡單分子并將它們“縫合”在一起以產(chǎn)生復(fù)雜分子的工藝，也是目前新藥研發(fā)的普遍模式。但通過化學(xué)合成發(fā)現(xiàn)新藥是一個相當(dāng)艱辛的過程，合成化學(xué)家經(jīng)常需要連續(xù)數(shù)小時在實驗室里對各種分子進(jìn)行混合、攪拌和純化。如今，自動化化學(xué)合成正在嘗試開發(fā)代替人類來從事這些辛苦繁瑣工作的機(jī)器人。

近年來，化學(xué)家們一直在不懈努力，以實現(xiàn)化學(xué)合成的自動化，從而快速形成藥物新分子篩選的大型數(shù)據(jù)庫。英國利物浦大學(xué)的安迪·庫珀和他的團(tuán)隊開發(fā)的機(jī)器人化學(xué)家，已經(jīng)能夠設(shè)計和生產(chǎn)催化劑分子，從而加速利用太陽能從水中提取氫的過程，機(jī)器人化學(xué)家可以對每種潛在催化劑分子的性能進(jìn)行測試，還可產(chǎn)生和篩選各種化學(xué)物質(zhì)。

▲化學(xué)合成自動化將為人類帶來更豐富的物質(zhì)選擇

科技跨國公司IBM也在嘗試化學(xué)分子合成的自動化。其RoboRXN工具包使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法幫助分子合成設(shè)計，可在含有300萬個化學(xué)分子式的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行測試和篩選。IBM研究中心的亞歷山德拉·托尼亞托說，這種方法對那些想要制造新分子但缺乏相關(guān)設(shè)備的人可能有所幫助，“學(xué)生們可利用它對大學(xué)里接觸不到的化學(xué)知識進(jìn)行實踐”。

英國格拉斯哥大學(xué)的李·克羅寧有一個更加雄心勃勃的計劃，目標(biāo)是進(jìn)一步提高化學(xué)合成的自動化程度，讓普通人也可以操作和使用。例如，他設(shè)想有一種分子3D打印機(jī)，可在災(zāi)難突降或疾病爆發(fā)而救災(zāi)物資未能到達(dá)之時，用來生產(chǎn)應(yīng)急藥物。

克羅寧還發(fā)明了一種叫做chemputer（“化學(xué)”和“計算機(jī)”的英語合成詞）的裝置，可自動合成各種分子，當(dāng)然首先要給機(jī)器輸入機(jī)讀語言指令，克羅寧為此建立了一個數(shù)字化學(xué)配方數(shù)據(jù)庫。2020年，克羅寧公布了一個可以加速這一過程的系統(tǒng)，系統(tǒng)可對公開發(fā)表的一些化學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行分析摘要，并轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠閱讀的數(shù)字指令。

7 創(chuàng)建人工生命 重現(xiàn)生命起源時刻

地球是如何從一個無生命的巨大巖石體演變成一個郁郁蔥蔥的綠色生命世界的？無生命分子最初是如何進(jìn)入生命世界的？這是一個最大的未解之謎。

如今，我們離生命誕生之謎的答案可能越來越近了。幾位科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造出了接近生命的物質(zhì)。去年底，美國佛蒙特大學(xué)喬什·邦加德領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊將青蛙皮膚細(xì)胞重新編程，產(chǎn)生了被稱為“異種機(jī)器人”的細(xì)胞群，這些細(xì)胞群可以游動，可以自我繁殖。

▲科學(xué)家嘗試重現(xiàn)無生命分子向生命分子轉(zhuǎn)換的那一刻

問題的核心是，一系列無生命分子是如何開始結(jié)合并自我復(fù)制的？上世紀(jì)50年代，化學(xué)家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里將一種化學(xué)混合物放在一個密封的罐子里，證明生命的關(guān)鍵組成成分氨基酸可以自發(fā)形成。他的實驗為探索生命誕生邁出了一大步，但仍沒能告訴我們，這些分子是如何形成自我復(fù)制系統(tǒng)的。

這就是為什么化學(xué)家們對重現(xiàn)無生命化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵紊问降倪@一時刻倍感興趣的原因——在這一刻究竟發(fā)生了什么？其可能性多達(dá)幾十億種。英國格拉斯哥大學(xué)的李·克羅寧正在利用機(jī)器人協(xié)助重現(xiàn)這一場景。他和他的團(tuán)隊設(shè)計了一種機(jī)器，可將一些簡單物質(zhì)——酸、無機(jī)礦物和碳基分子——組合起來，產(chǎn)生隨機(jī)反應(yīng)，然后對其結(jié)果進(jìn)行分析，并利用算法幫助機(jī)器人繼續(xù)進(jìn)行下一步探索。通過這種方式，機(jī)器人可在宇宙空間內(nèi)大范圍地探尋生命自復(fù)制系統(tǒng)存在的線索。如果化學(xué)家能夠重現(xiàn)生命起源的那一刻，我們將有更多機(jī)會識別和發(fā)現(xiàn)外星生命。

這方面研究還可揭示自我復(fù)制系統(tǒng)所含分子的特定比例?？肆_寧開發(fā)了一種對分子復(fù)雜性程度進(jìn)行評分的系統(tǒng)，該系統(tǒng)標(biāo)示了分子從類生命進(jìn)入生命形態(tài)的臨界點，系統(tǒng)將對某物是“有生命的”或“無生命的”，給出“是”或“否”的答案。

http://www.whb.cn/zhuzhan/kjwz/20221012/489996.html