即將改變世界的化學(xué)
即將改動(dòng)世界的化學(xué)
把持分子的更多辦法正在給我們帶來(lái)前進(jìn)，包羅從空氣中吸收溫室氣體，到創(chuàng )造可無(wú)限次收受接管的塑料，以至造造生命。
造造仿生葉子
人類(lèi)的活動(dòng)離不開(kāi)能源，但燃燒化石燃料會(huì )釋放出溫室氣體，負氣候變暖。那足以讓我們羨慕動(dòng)物，它們的光合感化利用太陽(yáng)能，并且還消耗二氧化碳。若是我們可以大規模地模擬那種技巧就好了。
不幸的是，光合感化很難模擬。它涉及許多過(guò)程，包羅捕獲太陽(yáng)光，合成水以產(chǎn)生氫，并將氫與來(lái)自空氣中的二氧化碳連系，最末消費出碳水化合物。在天然界，那些工做是由顛末數億年進(jìn)化的酶來(lái)完成的;即使如許，光合感化的效率仍然不到*%。
*0年前，美國哈佛大學(xué)的化學(xué)家丹尼爾·諾切拉向前邁出了一大步，他開(kāi)發(fā)了一種基于鎳和鈷的催化劑，能夠在太陽(yáng)光下將水合成。然而，那只實(shí)現了光合感化的一小步，爾后不斷沒(méi)有停頓。
后來(lái)人們意識到，與其從頭至尾模擬光合感化，不如去造造仿生葉。那種葉子凡是由能有效吸收太陽(yáng)光的質(zhì)料造成，里面含有擅長(cháng)將燃料分子連系在一路的酶卵白。英國劍橋大學(xué)的一個(gè)團隊比來(lái)利用一種叫做鈣鈦礦的質(zhì)料來(lái)搜集太陽(yáng)光，并將其與甲酸脫氫酶連系。如許的仿生葉能消費甲酸鹽(一種可用于燃料電池的化學(xué)物量)，其效率幾乎與天然界的光合感化效率相當。
諾切拉也接納了類(lèi)似的辦法。20**年，他創(chuàng )造了一個(gè)安裝，此中用催化劑在太陽(yáng)光下把水合成成氫離子和電子，并將那些氫離子和電子輸送給生物工程菌;再由生物工程菌將空氣中的二氧化碳轉化為生物量燃料，其效率幾乎到達**%——比天然界的光合感化效率高了*0多倍。
仿生葉子
那個(gè)挑戰在手藝上或多或少已經(jīng)處理了，當前的問(wèn)題是，各人都貧乏意愿付諸理論。關(guān)于興旺國度來(lái)說(shuō)，利用任何生物量燃料都要產(chǎn)生碳排放，不敷環(huán)保;關(guān)于開(kāi)展中國度來(lái)說(shuō)，如許造造出的生物量燃料成本高，不如間接利用化石燃料。
建造分子機器
在汗青上，把像活塞和齒輪如許的簡(jiǎn)單機械連系起來(lái)，造造出的可取代人力的機器(如蒸汽機)，引發(fā)了工業(yè)革命。當今，化學(xué)家正在研造的以原子為部件的分子機器，同樣具有革命性。
簡(jiǎn)單的分子機器已經(jīng)在20年前就研造出來(lái)了，包羅能夠沿軸挪動(dòng)的分子輪子。那項工做的三位前驅還獲得了20**年的諾貝爾獎。
更多的分子機器正在造造和測試中。譬如，幾年前美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家創(chuàng )造了一種能夠在細胞膜上開(kāi)孔，讓藥物輸進(jìn)細胞的分子機器。
分子機器
分子機器的潛力是龐大的，究竟結果生物體上的良多細胞器自己就能夠視做分子機器。例如，核糖體就可視為組拆卵白量的分子機器，它將氨基酸分子組拆成各類(lèi)卵白。
202*年，英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家研造出一種人工版的核糖體。它的主體是一個(gè)環(huán)形分子，有一條“臂”，當它在軌道上挪動(dòng)時(shí)，能拾取所遇的碎片并將它們毗連起來(lái)。目前，它能造造含*0個(gè)氨基酸的多肽鏈(由多個(gè)氨基酸毗連而成的鏈)。
就目前而言，人工版的核糖體還無(wú)法超越天然界的核糖體，但其潛力是驚人的。要曉得，天然界只存在大約20種氨基酸，天然界的核糖體只能用那20種氨基酸來(lái)組拆卵白，人工版的核糖體則不受那個(gè)限造，能夠組拆任何天然界不存在的氨基酸或其他分子。所以，那種分子機器未來(lái)能為我們造造出良多連大天然也自嘆不如的新型質(zhì)料。
吸收空氣中的甲烷
我們凡是將全球天氣變暖歸罪于二氧化碳，但還有另一種溫室氣體：甲烷。固然排放到大氣中的甲烷比二氧化碳少得多，但甲烷的溫室效應比同體積的二氧化碳要強20多倍。此外，甲烷還會(huì )與工場(chǎng)、汽車(chē)排放的廢氣反響，生成有毒氣體。
肅清空氣中的甲烷，將有助于阻遏氣溫上升。據估量，從大氣中肅清每*0億噸甲烷，地表溫度就會(huì )降低大約0.2℃。
從空氣中捕捉二氧化碳的手藝已經(jīng)存在多年了，但捕捉甲烷卻不容易，因為二氧化碳易溶于水，而甲烷幾乎不溶于水。
固然空氣中的甲烷是不不變的，遲早會(huì )轉化為二氧化碳，但人們仍是想方設法削減甲烷的排放。一個(gè)處理計劃是不去捕捉甲烷，而是通過(guò)化學(xué)辦法將其轉化為二氧化碳，究竟結果二氧化碳的溫室效應要比甲烷的小得多。目前美國大大都州已經(jīng)在利用那個(gè)設法來(lái)處理垃圾填埋場(chǎng)中的甲烷泄露問(wèn)題。他們利用微生物，將甲烷轉化為二氧化碳。
別的，還能夠接納沸石。沸石中充滿(mǎn)極細的小孔，能夠吸收甲烷，然后通過(guò)催化反響，將其轉化為甲醇。那項手藝固然目前還不成熟，但有很大的前景。
尋找鋰電池的替代品
要我們停行燃燒化石燃料，關(guān)鍵是能從風(fēng)力和太陽(yáng)能之類(lèi)的可再生能源中獲得電力。但是，那些能源都受限于天然前提，無(wú)法在任何時(shí)候都為我們供給電力。那就需要電池來(lái)貯存電力。
如今用得最多的是鋰電池，但地球上鋰資本有限。為此，化學(xué)家想另辟門(mén)路。
我們曉得，鋰在電池中的感化是將電荷從一個(gè)電極帶到另一個(gè)電極。鋰離子十分小，那意味著(zhù)鋰電池能做到既容量高，又小而輕。但也有其他合作者可飾演電荷照顧者的角色。一個(gè)是鈉，它具有與鋰不異的+*電荷，只是體積稍大。鈉在海水中幾乎取之不盡，并且很容易獲得。鈉電池要想到達與鋰電池同樣的容量，必需做得更大，那當然是一個(gè)缺點(diǎn)，但能夠在不需要便攜的前提下應用，如貯存太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力。
別的，在鋰電池中，電極是用鈷做的。那是電池的關(guān)鍵部件。但鈷在地球上的資本也很有限，所以我們需要設想不利用鈷的新電池。那涉及到測驗考試大量的質(zhì)料組合，以便找到高容量的替代品。那是一個(gè)十分耗時(shí)的過(guò)程。英國謝菲爾德大學(xué)的科學(xué)家不斷在試驗一種在微波爐中造做電極的辦法，那個(gè)過(guò)程只需20分鐘，比凡是的辦法要快得多。我們相信，那種替代品有可能不久就能夠面市。
造造可無(wú)限次收受接管的塑料
塑料是聚合物，是由強大的化學(xué)鍵毗連而成的分子長(cháng)鏈。撕開(kāi)那些化學(xué)鍵，將其復原到小分子，往往是一個(gè)棘手的化學(xué)問(wèn)題。那就是為什么它們難以降解或收受接管的原因。
在處置塑料方面，我們已經(jīng)有一個(gè)小小的勝利。凡是被用來(lái)造造塑料瓶的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，我們能夠簡(jiǎn)單地將其切碎并從頭塑形成新的瓶子。那個(gè)過(guò)程以至都不需要化學(xué)。
但關(guān)于大大都塑料來(lái)說(shuō)，處置起來(lái)就是個(gè)難題了。以聚氯乙烯(PVC)為例，沒(méi)有已知的辦法來(lái)收受接管它，即便將它高溫合成，最末得到的也是一種叫氯乙烯的有毒化合物。
在塑料收受接管的工做中，化學(xué)家的一項使命是設想新的反響，將塑料合成成能夠從頭利用的分子。美國加州大學(xué)的科學(xué)家比來(lái)在收受接管聚烯烴類(lèi)塑料方面獲得了勝利。他們開(kāi)發(fā)了一種手藝，利用催化劑將那些塑料合成成更小的分子，那些較小的分子可做為洗滌劑或油漆的原料。
我們還需要設想更容易降解或收受接管的塑料。一個(gè)例子是美國加州大學(xué)的科學(xué)家創(chuàng )造的一種塑料。他們在塑猜中添加了細小的含酶膠囊。當塑料的利用壽命到期時(shí)，只需要將它在溫水中浸泡一周。酶就會(huì )被釋放出，將塑料合成成小分子。
化學(xué)合成主動(dòng)化
也許現代化學(xué)中最單調的工做是化學(xué)合成。那是一種將簡(jiǎn)單分子拼接在一路以造造一些復雜分子的工藝。許多藥物就是通過(guò)那種法子研造出來(lái)的。合成化學(xué)家往往要在嘗試室里成年累月地停止混合、攪拌和提純，然后還要測試大量新分子的特征。
然而，他們起頭考慮，那些工做可交給機器人來(lái)完成。為此，英國利物浦大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)建造了一個(gè)機器人化學(xué)家，用它來(lái)造造可做為催化劑的分子，然后還能主動(dòng)測試每個(gè)潛在催化劑的性能。
科技巨頭IBM也在停止主動(dòng)化的嘗試。它用包羅*00萬(wàn)個(gè)化學(xué)反響的數據庫來(lái)訓練機器人。
一個(gè)更雄心壯志的方案是，把化學(xué)主動(dòng)化到任何人都能夠做的水平。譬如，輸入化學(xué)配方，就能以手頭常見(jiàn)的化學(xué)物量為起點(diǎn)，造造出復雜的分子來(lái)。那在太空游覽或者殖民外星球的時(shí)候能夠供給極大的便利。
造造人工生命
地球是若何從一個(gè)荒蕪一毛的巖石量星球釀成一個(gè)郁郁蔥蔥的生物世界的?
20世紀*0年代，美國化學(xué)家斯坦利·米勒將一些無(wú)機物混和，放在一個(gè)密封的罐子里，模仿早期地球的情況前提，造造出了氨基酸分子。那表白，像氨基酸那種構成生命的關(guān)鍵成分，是能夠自覺(jué)構成的。那雖是一個(gè)很大的前進(jìn)，但仍然沒(méi)有告訴我們能自我復造的簡(jiǎn)單生命是若何構成的。
機器人化學(xué)家有助于加快化學(xué)合成
那就是為什么化學(xué)家對“若何通過(guò)化學(xué)反響將無(wú)生命的化學(xué)物量變成最簡(jiǎn)單的生命”感興趣的原因。那有數十億種發(fā)作體例。因而，英國格拉斯哥大學(xué)的李·克羅寧正在接納機器人來(lái)幫忙查詢(xún)拜訪(fǎng)。他和他的團隊將一些簡(jiǎn)單的物量(如酸、無(wú)機礦物和含碳的無(wú)機物)放一路，停止隨機反響，然后由一個(gè)算法幫忙機器人對成果停止闡發(fā)。通過(guò)那種體例，機器人能夠在海量的成果中尋找，看看能否有任何能自我復造的生命呈現。
