2022年諾貝爾化學獎日前揭曉。曆數百年化學諾獎，除了惠及化學自身發展，許多獲獎成果也為生物、醫學、物理、工程等諸多學科帶來了革命性影響，因此也被戲稱為“理綜獎”。而這正體現了化學改變世界的作用，其影響可謂無處不在。

從捕獲溫室氣體到發明無限可循環材料，再到探索生命如何從無到有，化學始終活躍在人類面臨重大生存挑戰的最前沿。化學家們通過各種手段重組分子、發明新材料，創造了一個又一個奇迹。現代化學究竟有多少神奇“魔法”？來看化學改變世界的七大最新進展。

（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令人類羨慕萬分，它們可通過光合作用自行産生所需要的能量，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緻氣候變暖，這給人類帶來了巨大生存困境。如果我們能學會模仿植物的這一技能并大規模推廣，是否就能通過将陽光液化，創造出一種清潔綠色的燃料？

遺憾的是，光合作用是一種難以複制的化學反應。它涉及捕捉陽光、分解水分子産生質子，并将這些質子與二氧化碳中的碳原子結合，最終産生以糖的形式存在的燃料等多個步驟。在自然界中，這些工作是由經過數億年進化的蛋白質完成的，而它們隻能以不超過1%的效率轉化太陽能。

不過，科學家仍不願放棄這個美妙的夢想。十年前，美國哈佛大學化學家丹尼爾·諾塞拉朝着實現人造葉子的目标邁出了第一步，他開發了可以分解水的鎳钴催化劑。然而，此後這方面的研究一直進展緩慢。

後來，科學家意識到，可将人工葉子中的化學與生物學精髓結合起來，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，以及可将燃料分子拼接在一起的天然蛋白質。

英國劍橋大學歐文·賴斯納領導的一個團隊最近使用了一種鈣钛礦材料來收集光線，将其與一種叫做甲酸脫氫酶的酶結合，産生的仿生葉可将光線轉換為甲酸。甲酸是燃料電池中的一種化學物質，能量轉換率達1%——這就可與大自然中植物的能量轉換率相媲美。

科學家研發的第一個人工光合作用系統（nano letter 2014年15期）

2016年，諾塞拉公開了他的一項發明，這個系統利用可分解水的催化劑産生質子和電子，為生物工程細菌提供養分。這套裝置利用陽光将二氧化碳轉換為燃料和生物質，能量轉換率可達11%。“完美人工光合作用的效率是大自然中光合作用的10到100倍。”諾塞拉說。

目前，化學家已經在一定程度上解決了人造葉子的問題。在諾塞拉看來，這不隻是一個化學問題，甚至也不再是一個技術問題。他認為，之所以不能做到讓所有人都用人造葉子生産的燃料來駕駛汽車，更多原因是缺乏必要的基礎設施。

2 分子機器 改變未來材料設計

十八世紀後期，活塞與棘輪，這些簡單的機械裝置被結合起來，構成了可代替人工的生産機器，其影響力之廣泛，無人能夠否認。如今，化學家們開發的分子機器，其開拓性和颠覆性影響堪與蒸汽機比肩。有所不同的是，前者的制造材料是鋼鐵，而後者則是原子。

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

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

分子設備還可用來制造更加複雜的分子機器，潛力巨大。生物體一直在利用大自然中的生物分子機器進行着許多有用的工作。例如，核糖體就是用來組裝蛋白質的一種生物分子機器。它按照特定順序将氨基酸分子組合在一起，創造出從指甲中的角蛋白到免疫系統中的抗體等一系列令人驚歎的物質。

英國曼徹斯特大學的大衛·利一直緻力于人工合成核糖體。他設計出一種沿着線性軌迹移動的環形分子，移動過程中“拾取”一個個分子并将它們拼接在一起。去年，大衛與他的團隊将兩三台這樣的分子機器結合在一起，生産出以設定順序排列的含有10個氨基酸的肽分子。

大衛的分子機器暫時還無法超越大自然中分子機器的水平，但他們還在繼續努力。雖然目前還隻能合成大約20個氨基酸的核糖體，但人工合成核糖體有着很大的選擇優勢，“我們有一整個元素周期表上的元素可以選用，分子機器将從根本上改變材料設計的未來”。

分子機器可以搭載藥物，精準運送到病竈（nobelprize官網）

3 捕獲甲烷 延緩氣候變暖腳步

我們通常将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着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量遠低于二氧化碳，但在最初的20年中，甲烷導緻的變暖效應卻是二氧化碳的80多倍。

甲烷是從牲畜體内和下水管道中排放出來的氣體，它可與氧化亞氮發生反應，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。

清除空氣中的甲烷有助于阻止氣溫上升，為減緩氣候變暖赢得時間。根據美國加利福尼亞州斯坦福大學的羅伯·傑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℃。

衆所周知，二氧化碳捕獲技術已存在多年，它通過與溶劑結合的可逆化學反應，捕獲發電站煙道中的二氧化碳，并将其深埋于地下。但同樣的溶劑用來吸收甲烷并不那麼有效，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，轉而通過化學方法将甲烷轉化為二氧化碳，将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。“釋放到大氣中的甲烷最終都會轉換成二氧化碳，而我們要做的就是加速這個轉換過程。”傑克遜說。美國大多數州在處理填埋地甲烷洩漏問題時，都會将特制的充滿微生物的覆蓋物置于填埋物上，利用微生物将甲烷轉換為二氧化碳。

另一種替代方案是沸石。沸石是一種多孔材料，但其隧孔隻有原子大小，其間可充斥大量分子。某些沸石可用來吸收甲烷，然後通過催化反應将其轉化為甲醇——一種用于化學工業的有用物質。化學家們已發現了數百種可以實施這一方案的沸石，雖然目前這一技術還不成熟，但其發展前景與潛力都很不錯。

4 完美電池 性能卓越有益環境

停止燃燒化石燃料的關鍵是風力、太陽能等可再生能源能夠保障持續穩定的電力供應。但在沒有風或陽光的日子裡，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環境問題。例如，電動汽車中的可充電锂電池需要用到锂等多種金屬。但在地球上有大量锂儲量的地方很少，而且從锂鹽中提取锂需要消耗大量水，而開采锂輝石也會對環境造成不利影響。因此，化學家希望設計出對環境更友好的電池。

锂離子很小，這意味着锂電池可在小而輕的空間中提供大量電力。用于電池的還有比锂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用，如儲存太陽能發電的電力，鈉離子電池也是一種很好的選擇。英國公司Faradion已将鈉離子電池用于印度的重型卡車上。

未來電池将具有更高性能，而且對環境更友好

可用于電池的化學物質還有很多，例如鎂離子。但問題是，改變電荷載體就意味着要重新設計電池的其他部分。電極是所有電池的關鍵部件，锂離子電池的電極用钴，這種金屬所産生的環境問題甚至比锂更嚴重，其開采條件惡劣，礦産資源也極為稀缺。

理想的情況是，設計出不含钴的新電池系統。這需要對多種材料的組合進行反複嘗試，以找到高性能和可持續性的最佳點，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 可循環材料 應對塑料垃圾危機

在原子之間形成化學鍵是化學家的得意之作。但因此造成的一些嚴重環境問題令人擔憂，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。化學家們的應對之策是努力開發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——剪斷這些強化學鍵，通常是一個棘手的化學問題。如今，科學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”。英國謝菲爾德大學的化學家安東尼·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，也是一種會增加癌症風險的有毒化合物。

為此，化學家的對策之一就是設計可将塑料分解成可重複使用分子的化學反應新程式。美國加州大學聖巴巴拉分校的蘇珊娜·斯科特最近開發了一種技術，使用催化劑将聚烯烴塑料（包括聚乙烯在内的一組塑料制品）分解成更小的分子，分解得到的小分子可用于生産洗滌劑、油漆或藥物等。

新的塑料生産工藝将使塑料廢棄時直接分解成可循環利用的小分子

新的塑料設計理念是從一開始就規劃好其未來歸宿，從而解決塑料廢棄物污染環境的問題。化學家們正在設計的塑料可無限循環使用，或者在廢棄之後可分解成滋養土壤的物質。

例如，美國加州大學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，被廢棄後，隻需在溫水中浸泡一周左右，其中所含的酶就會被釋放出來，将塑料“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新設計。

6 “機器人化學家” 新藥合成的最強助手

現代化學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将它們“縫合”在一起以産生複雜分子的工藝，也是目前新藥研發的普遍模式。但通過化學合成發現新藥是一個相當艱辛的過程，合成化學家經常需要連續數小時在實驗室裡對各種分子進行混合、攪拌和純化。如今，自動化化學合成正在嘗試開發代替人類來從事這些辛苦繁瑣工作的機器人。

近年來，化學家們一直在不懈努力，以實現化學合成的自動化，從而快速形成藥物新分子篩選的大型數據庫。英國利物浦大學的安迪·庫珀和他的團隊開發的機器人化學家，已經能夠設計和生産催化劑分子，從而加速利用太陽能從水中提取氫的過程，機器人化學家可以對每種潛在催化劑分子的性能進行測試，還可産生和篩選各種化學物質。

化學合成自動化将為人類帶來更豐富的物質選擇

科技跨國公司IBM也在嘗試化學分子合成的自動化。其RoboRXN工具包使用機器學習算法幫助分子合成設計，可在含有300萬個化學分子式的訓練數據庫中進行測試和篩選。IBM研究中心的亞曆山德拉·托尼亞托說，這種方法對那些想要制造新分子但缺乏相關設備的人可能有所幫助，“學生們可利用它對大學裡接觸不到的化學知識進行實踐”。

英國格拉斯哥大學的李·克羅甯有一個更加雄心勃勃的計劃，目标是進一步提高化學合成的自動化程度，讓普通人也可以操作和使用。例如，他設想有一種分子3D打印機，可在災難突降或疾病爆發而救災物資未能到達之時，用來生産應急藥物。

克羅甯還發明了一種叫做chemputer（“化學”和“計算機”的英語合成詞）的裝置，可自動合成各種分子，當然首先要給機器輸入機讀語言指令，克羅甯為此建立了一個數字化學配方數據庫。2020年，克羅甯公布了一個可以加速這一過程的系統，系統可對公開發表的一些化學文獻進行分析摘要，并轉化為計算機能夠閱讀的數字指令。

7 創建人工生命 重現生命起源時刻

地球是如何從一個無生命的巨大岩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。幾位科學家已經創造出了接近生命的物質。去年底，美國佛蒙特大學喬什·邦加德領導的一個團隊将青蛙皮膚細胞重新編程，産生了被稱為“異種機器人”的細胞群，這些細胞群可以遊動，可以自我繁殖。

科學家嘗試重現無生命分子向生命分子轉換的那一刻

問題的核心是，一系列無生命分子是如何開始結合并自我複制的？上世紀50年代，化學家斯坦利·米勒和哈羅德·尤裡将一種化學混合物放在一個密封的罐子裡，證明生命的關鍵組成成分氨基酸可以自發形成。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複制系統的。

這就是為什麼化學家們對重現無生命化學物質轉變為簡單生命形式的這一時刻倍感興趣的原因——在這一刻究竟發生了什麼？其可能性多達幾十億種。英國格拉斯哥大學的李·克羅甯正在利用機器人協助重現這一場景。他和他的團隊設計了一種機器，可将一些簡單物質——酸、無機礦物和碳基分子——組合起來，産生随機反應，然後對其結果進行分析，并利用算法幫助機器人繼續進行下一步探索。通過這種方式，機器人可在宇宙空間内大範圍地探尋生命自複制系統存在的線索。如果化學家能夠重現生命起源的那一刻，我們将有更多機會識别和發現外星生命。

這方面研究還可揭示自我複制系統所含分子的特定比例。克羅甯開發了一種對分子複雜性程度進行評分的系統，該系統标示了分子從類生命進入生命形态的臨界點，系統将對某物是“有生命的”或“無生命的”，給出“是”或“否”的答案。

作者：宇辰/編譯

編輯：許琦敏

圖片：除注明外，均來自pixabay

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