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分子機器

每年化學(xué)諾貝爾獎的頒發(fā)都會帶火一個領(lǐng)域，今年的化學(xué)諾貝爾獎則頒給了在分子機器領(lǐng)域有著杰出貢獻(xiàn)的Jean-Pierre Sauvage、Fraser Stoddart 和 Ben Feringa。所謂的分子機器，是指可以像馬達(dá)、開關(guān)一樣產(chǎn)生機械運動的互鎖分子。2016年這個領(lǐng)域的亮點不少。

來自英國曼徹斯特大學(xué)David Leigh課題組研究出一種“機器人”分子（Nat Chem 2016, 8 (2), 138-143.），它可以像機器人一般對所要運載的客體分子進(jìn)行“載貨”和“卸貨”。這是人類首次在如此小的尺度創(chuàng)造出一個機器人，對人類進(jìn)行新型分子器件的設(shè)計有著重要的意義。

（圖1 可以進(jìn)行“載貨”和“卸貨”的分子機器人示意圖及其結(jié)構(gòu)）

David Leigh還開發(fā)出一種“化學(xué)燃料分子馬達(dá)”（Nature 2016, 534 (7606), 235-240.），其工作原理類似于細(xì)胞內(nèi)ATP來驅(qū)動蛋白。

（圖2 該種分子馬達(dá)示意圖）

其他研究小組的成果也同樣令人興奮，英國科學(xué)家Andrew Turberfield與Rachel O’Reilly開發(fā)出一種類似核糖體的分子機器（Nat Chem 2016, 8 (6), 542-548.）。

人造章魚

軟體機器人這個概念聽起來怎么樣？人造章魚就是就是這個領(lǐng)域的一個優(yōu)秀研究成果（Nature 2016, 536 (7617), 451-455.）。這項哈佛大學(xué)的科研進(jìn)展的確讓我們眼前一亮。盡管這種章魚機器人還沒有什么實際用途，但是其概念的證明就已經(jīng)具有足夠的科學(xué)意義。因為這是人類首次完全利用軟材料生產(chǎn)出自驅(qū)動、無連線的機器人。

（圖3 人造章魚的設(shè)計圖與實體圖，利用存儲在材料內(nèi)部的過氧化氫，章魚觸手可以產(chǎn)生不同的動作。）

合成化學(xué)師：軟件版

在合成化學(xué)領(lǐng)域，計算機科學(xué)的應(yīng)用真的再一次刷新了我們的三觀。去年，科學(xué)家Bartosz Grzybowski開發(fā)出一款軟件Chematica，可以自動為化學(xué)家們設(shè)計新物質(zhì)合成路線，將廣大有機化學(xué)工作者中從海量的文獻(xiàn)中解放出來。2016年，該課題組又開發(fā)出新的功能模塊Syntaurus（Angewandte Chemie International Edition 2016, 55 (20), 5904-5937.），它包含了兩萬多種化學(xué)合成規(guī)則，利用其給出的合成路線，成功進(jìn)行了epicolactone的全合成。

（圖4  軟件Chematica通過已有的合成反應(yīng)優(yōu)化藥物vardenafil的合成路線）

二維材料家族再添新成員

石墨烯也許再也不用感到孤單，因為今年的二維材料家族增添了新的成員。二維形式的硼（Angewandte Chemie International Edition 2015, 54 (51), 15473-15477.）、銻（Advanced Materials 2016, 28 (30), 6332-6336.）相繼被開發(fā)出來。后者也被稱為銻烯，具有著二維材料很罕見的水穩(wěn)定性。另外，理論科學(xué)家預(yù)測出“硅石墨烯”是可以存在的（Nanoscale 2016, 8 (13), 6994-6999.），如果可以找到有效的合成方法，這種材料在太陽能電池領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用。

（圖5 使用化學(xué)蒸汽沉積法可以得到硼的二維材料）

讓改變發(fā)生的催化劑

美國南加州大學(xué)George Olah與Surya Prakash領(lǐng)導(dǎo)的課題組開發(fā)出一種技術(shù)（Journal of the American Chemical Society 2016, 138 (3), 778-781.），可以從大氣中捕捉二氧化碳，在一種釕金屬催化劑下可以與氫氣反應(yīng)制備甲醇。研究者希望可以將該種工藝放大生產(chǎn)甲醇燃料。

普林斯頓大學(xué)Paul Chirik實驗室開發(fā)出一種用于同位素氚標(biāo)記的鐵催化劑（Nature 2016, 529 (7585), 195-199.），氚標(biāo)記技術(shù)可以有效降低物質(zhì)的放射性危害。這種催化劑的絕妙之處在于，可以在低壓下發(fā)揮功效，同時可以標(biāo)記傳統(tǒng)方式中難以標(biāo)記的位點。這種標(biāo)記技術(shù)對于測試藥物的效率與安全性具有極大的意義。

（圖6 用于氚標(biāo)記的鐵催化劑）

不過，在催化化學(xué)領(lǐng)域，也有一些極富“腦洞”的工作。比如英國Queen Mary University of London的Remzi Becer 就發(fā)現(xiàn)，銅硬幣還可以催化單電子轉(zhuǎn)移活性自由基聚合（SET-LRP），效率比傳統(tǒng)使用的銅線更高（Polymer Chemistry 2016, 7 (43), 6564-6569.）。

（圖7 利用銅硬幣來催化活性自由基聚合）

稍縱即逝也能被“抓拍”

近些年來，原子力顯微鏡（AFM）在更小的尺度上的觀察力可以說是突飛猛進(jìn)。2016年，瑞士IBM研究中心的Leo Gross和他的小伙伴們利用電壓控制了一個反應(yīng)的正逆，并用AFM捕捉到了這一奇妙的反應(yīng)過程（Nat Chem 2016, 8 (3), 220-224.）。

（圖8 AFM清晰地觀察到了該化學(xué)反應(yīng)的變化過程）

3D打?。阂磺薪杂锌赡?/span>

3D打印一直是這幾年來的研究熱點，從材料設(shè)計到組織工程，從航天飛機到跑車，幾乎在各個生產(chǎn)制造領(lǐng)域你都能看見它的身影。2016年自然也不會少了3D打印這么一個主角。

美國北卡Wake Forest Institute for Regenerative Medicine的Anthony Atala發(fā)明了一種技術(shù)，讓人類離制造組織和器官更近了一步（Nat Biotech 2016, 34 (3), 312-319.）。他們設(shè)計出的3D系統(tǒng)可以以細(xì)胞為打印材料，并維持其結(jié)構(gòu)的完整性。具體來講，將含有活細(xì)胞的水凝膠打印在可降解高分子的“模子”里，隨后將“模子”降解除去。該體系同樣可以把微管道打印在產(chǎn)品之中，這些微管道可用來模擬血管的作用，即傳輸氧氣與其他營養(yǎng)物質(zhì)。

（圖9 該3D打印體系的基本構(gòu)造）

3D打印領(lǐng)域的另一項重大突破來自于美國HRL實驗室的Tobias Schaedler研究小組，他們實現(xiàn)了陶瓷的3D打?。?/span>Science 2016, 351 (6268), 58-62.）。在以往的研究中，陶瓷由于非常脆，只能依靠在高溫下燒結(jié)進(jìn)行成型，限制了其在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。Tobias Schaedler則迂回解決了這一難題，他們先使用高分子材料進(jìn)行3D打印成型，隨后將其熱解制備陶瓷。

（圖10 聚合物為前體材料制備3D陶瓷結(jié)構(gòu)）

電鏡照片也能多彩

電鏡是觀察微觀世界的有效手段之一，不過，永遠(yuǎn)是黑白灰的色調(diào)就如同老電影一樣略顯無聊。如果能有一臺彩色的電鏡就好了。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Mark Ellisman和Roger Tsien讓這一夢想成為了現(xiàn)實。

他們用二氨基聯(lián)苯胺（DAB）與稀土元素來處理細(xì)胞，當(dāng)光敏蛋白收到某種特定波長光源照射的時候，就會釋放出活性氧，它們會引起5nm范圍內(nèi)的DAB聚合，而稀土元素則會根據(jù)其連接的DAB聚合物的差別，通過能量損失光譜顯現(xiàn)出不同的顏色。

（圖11 彩色電鏡技術(shù)看到的細(xì)胞內(nèi)的某種蛋白）

說不盡的太陽能

2016年的太陽照常升起，所以科學(xué)家們對于太陽能利用的探索也不會中止。

鈣鈦礦太陽電池可謂是紅得發(fā)紫。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael Gr?tzel發(fā)明了面積超過1cm²的鈣鈦礦太陽能器件，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的19.6%。（Science 2016, 353 (6294), 58-62.）

（圖12 該類鈣鈦礦太陽能電池的制造過程與結(jié)構(gòu)）

中國海洋大學(xué)的唐群委發(fā)明了一種新型太陽能電池（Angewandte Chemie 2016, 128 (46), 14624-14628.），不僅可以利用太陽能，還可以利用雨水來產(chǎn)生電能，這個成果對于一些多雨國家非常有價值。

在人類認(rèn)識世界、改造世界的過程中，化學(xué)學(xué)科是必不可少的學(xué)科之一，我們很欣慰地看到2016年如此多的優(yōu)秀研究成果，真正地或有可能改善著這個世界，這是每一個化學(xué)人的驕傲和自豪。所以，在科研中披荊斬棘的你，是不是也在期待2017年的新突破？