更多操縱分子的方法正在給我們帶來進(jìn)步，從吸收空氣中的溫室氣體，到發(fā)明無限可回收的塑料，甚至創(chuàng)造生命。

制作仿生葉子

（資料圖）

人類活動(dòng)離不開能源，但燃燒化石燃料會(huì)釋放溫室氣體，導(dǎo)致氣候變暖。這足以讓我們羨慕植物，它們的光合作用利用太陽能，同時(shí)也消耗二氧化碳。如果我們能夠大規(guī)模模仿這種技術(shù)，那就太好了。

不幸的是，光合作用很難模仿。它涉及許多過程，包括捕獲陽光、分解水產(chǎn)生氫氣，以及將氫氣與空氣中的二氧化碳結(jié)合最終產(chǎn)生碳水化合物。在自然界中，這項(xiàng)工作是由經(jīng)過數(shù)億年進(jìn)化的酶完成的。即便如此，光合作用的效率仍然低于1%。

十年前，哈佛大學(xué)的化學(xué)家丹尼爾·諾塞拉（Daniel Nocera）向前邁出了一大步，他開發(fā)了一種基于鎳和鈷的催化劑，可以在陽光下分解水。然而，這只是光合作用邁出的一小步，此后就再也沒有任何進(jìn)展。

后來，人們意識(shí)到，與其從頭到尾模仿光合作用，不如制造仿生葉子。葉子通常由能有效吸收陽光的材料制成，并含有善于將燃料分子結(jié)合在一起的酶蛋白。英國劍橋大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近使用一種名為鈣鈦礦的材料來收集陽光并將其與甲酸脫氫酶結(jié)合。這種仿生葉子可以產(chǎn)生甲酸，一種用于燃料電池的化學(xué)物質(zhì)，其效率幾乎等于自然界中光合作用的效率。

諾塞拉采取了類似的方法。 2016年，他發(fā)明了一種裝置，利用催化劑在陽光下將水分解成氫離子和電子，并將這些氫離子和電子傳輸給生物工程細(xì)菌；然后生物工程細(xì)菌將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃料的效率幾乎達(dá)到11%，比自然界光合作用的效率高出10倍以上。

仿生葉子這個(gè)挑戰(zhàn)或多或少在技術(shù)上已經(jīng)得到解決，目前的問題是缺乏付諸實(shí)踐的意愿。對(duì)于發(fā)達(dá)國家來說，使用任何生物質(zhì)燃料都會(huì)產(chǎn)生碳排放，不環(huán)保；對(duì)于發(fā)展中國家來說，通過這種方式生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料成本較高，因此最好直接使用化石燃料。

建造分子機(jī)器

從歷史上看，活塞和齒輪等簡單機(jī)器的組合創(chuàng)造出了可以取代人力的機(jī)器（例如蒸汽機(jī)），引發(fā)了工業(yè)革命。如今，化學(xué)家正在開發(fā)以原子為組件的分子機(jī)器，這同樣具有革命性。

簡單的分子機(jī)器在20 年前就已被開發(fā)出來，其中包括可以沿軸移動(dòng)的分子輪。這項(xiàng)工作的三位先驅(qū)者還獲得了2016 年諾貝爾獎(jiǎng)。

更多的分子機(jī)器正在建造和測(cè)試中。例如，幾年前，美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了一種分子機(jī)器，可以在細(xì)胞膜上打開孔洞，讓藥物輸送到細(xì)胞內(nèi)。

分子機(jī)器分子機(jī)器的潛力巨大。畢竟，生物體內(nèi)的許多細(xì)胞器本身就可以被視為分子機(jī)器。例如，核糖體可以被視為組裝蛋白質(zhì)的分子機(jī)器。它將氨基酸分子組裝成各種蛋白質(zhì)。

2021年，英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出人工核糖體。它的主體是一個(gè)帶有“臂”的環(huán)形分子，當(dāng)它在軌道上移動(dòng)時(shí)，它會(huì)拾起遇到的碎片并將它們連接在一起。目前，它可以生產(chǎn)含有10個(gè)氨基酸的多肽鏈（由多個(gè)氨基酸連接而成的鏈）。

目前，人工核糖體還無法超越天然核糖體，但它們的潛力是驚人的。要知道，自然界中的氨基酸只有20種左右。天然核糖體只能利用這20種氨基酸來組裝蛋白質(zhì)。人工核糖體不受此限制，可以組裝自然界中不存在的任何氨基酸或其他分子。因此，這種分子機(jī)器未來將能夠?yàn)槲覀儎?chuàng)造出許多連大自然都無法比擬的新材料。

吸收空氣中的甲烷

我們通常將全球變暖歸咎于二氧化碳，但實(shí)際上還有另一種溫室氣體：甲烷。盡管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(yīng)卻比同體積的二氧化碳強(qiáng)20倍以上。此外，甲烷還可以與工廠和汽車排放的廢氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有毒氣體。

去除空氣中的甲烷將有助于阻止氣溫上升。據(jù)估計(jì)，從大氣中每去除十億噸甲烷，地表溫度就會(huì)降低約0.2C。

從空氣中捕獲二氧化碳的技術(shù)已經(jīng)存在多年，但捕獲甲烷并不容易，因?yàn)槎趸己苋菀兹苡谒淄閹缀醪蝗堋?

盡管空氣中的甲烷不穩(wěn)定，遲早會(huì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳，但人們?nèi)匀幌敕皆O(shè)法減少甲烷排放。一種解決方案不是捕獲甲烷，而是通過化學(xué)方式將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳，二氧化碳的溫室效應(yīng)比甲烷小得多。美國大多數(shù)州已經(jīng)在使用這個(gè)想法來解決垃圾填埋場的甲烷泄漏問題。他們利用微生物將甲烷轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

此外，也可以使用沸石。沸石充滿了極其細(xì)小的孔隙，可以吸收甲烷，然后通過催化反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為甲醇。雖然這項(xiàng)技術(shù)還不成熟，但前景廣闊。

尋找鋰電池替代品

我們停止燃燒化石燃料的關(guān)鍵是從風(fēng)能和太陽能等可再生能源中獲取電力。然而這些能源受到自然條件的限制，并不能隨時(shí)為我們提供電力。這就需要電池來儲(chǔ)存電力。

現(xiàn)在最常用的是鋰電池，但地球上的鋰資源是有限的。為此，化學(xué)家希望尋找另一種方法。

我們知道，鋰在電池中的作用是將電荷從一個(gè)電極傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電極。鋰離子非常小，這意味著鋰電池既可以做到高容量，又可以做到小而輕。但還有其他競爭者來爭奪這一負(fù)責(zé)人的角色。一種是鈉，它的+1電荷與鋰相同，但稍大一些。鈉幾乎取之不盡用之不竭，并且在海水中很容易獲得。為了達(dá)到與鋰電池相同的容量，鈉電池必須做得更大。這當(dāng)然是一個(gè)缺點(diǎn)，但它可以用在不需要便攜性的場合，比如儲(chǔ)存太陽能產(chǎn)生的電力。

此外，在鋰電池中，電極由鈷制成。這是電池的關(guān)鍵部件。但鈷在地球上也是一種有限資源，因此我們需要設(shè)計(jì)不使用鈷的新型電池。這涉及嘗試大量的材料組合，以找到高容量的替代品。這是一個(gè)非常耗時(shí)的過程。英國謝菲爾德大學(xué)的科學(xué)家們一直在試驗(yàn)一種在微波爐中制作電極的方法，這個(gè)過程只需20分鐘，比通常的方法快得多。我們相信這樣的替代方案可能很快就會(huì)出現(xiàn)。

創(chuàng)造無限可回收的塑料

塑料是聚合物，是通過牢固的化學(xué)鍵結(jié)合在一起的長分子鏈。撕裂這些化學(xué)鍵并將其恢復(fù)為小分子通常是一個(gè)棘手的化學(xué)問題。這就是為什么它們難以降解或回收。

我們?cè)谔幚硭芰戏矫嬉呀?jīng)取得了一些小成功。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET) 通常用于制造塑料瓶，只需將其粉碎并重新成型即可制成新瓶子。這個(gè)過程甚至不需要化學(xué)反應(yīng)。

但對(duì)于大多數(shù)塑料來說，處理它們是一個(gè)問題。以聚氯乙烯（PVC）為例。沒有已知的方法來回收它。即使在高溫下分解，最終產(chǎn)物也是一種叫做氯乙烯的有毒化合物。

在塑料回收工作中，化學(xué)家的任務(wù)是設(shè)計(jì)新的反應(yīng)，將塑料分解成可以重復(fù)使用的分子。加州大學(xué)的科學(xué)家最近在回收聚烯烴塑料方面取得了成功。他們開發(fā)了一種技術(shù)，利用催化劑將這些塑料分解成更小的分子，這些分子可以用作洗滌劑或油漆的原材料。

我們還需要設(shè)計(jì)更容易降解或回收的塑料。一個(gè)例子是加州大學(xué)科學(xué)家發(fā)明的一種塑料。他們?cè)谒芰现刑砑恿宋⑿〉暮改z囊。當(dāng)塑料的使用壽命到期時(shí)，只需將其在溫水中浸泡一周即可。酶被釋放，將塑料分解成小分子。

化學(xué)合成自動(dòng)化

也許現(xiàn)代化學(xué)中最繁瑣的任務(wù)是化學(xué)合成。這是簡單分子拼接在一起形成一些復(fù)雜分子的過程。許多藥物都是通過這種方式開發(fā)的。合成化學(xué)家經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室中花費(fèi)數(shù)年時(shí)間混合、攪拌、純化，然后測(cè)試大量新分子的特性。

然而，他們開始考慮這些任務(wù)可以由機(jī)器人來完成。為此，英國利物浦大學(xué)的科學(xué)家建造了一個(gè)機(jī)器人化學(xué)家，用它來制造可以充當(dāng)催化劑的分子，然后自動(dòng)測(cè)試每種潛在催化劑的性能。

科技巨頭IBM也在進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)。它使用包含300 萬個(gè)化學(xué)反應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來訓(xùn)練機(jī)器人。

一個(gè)更雄心勃勃的計(jì)劃是將化學(xué)自動(dòng)化到任何人都可以做到的程度。例如，通過輸入化學(xué)式，您可以使用現(xiàn)有的常見化學(xué)品作為起點(diǎn)來創(chuàng)建復(fù)雜的分子。這可以在太空旅行或殖民外星球時(shí)提供極大的便利。

創(chuàng)造人工生命

地球是如何從一個(gè)貧瘠的巖石星球變成一個(gè)生物繁茂的世界的？

20世紀(jì)50年代，美國化學(xué)家斯坦利·米勒將一些無機(jī)物質(zhì)混合，放入密封罐中，模擬早期地球的環(huán)境條件，創(chuàng)造出氨基酸分子。這表明生命的關(guān)鍵組成部分氨基酸可以自發(fā)形成。雖然這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，但它仍然沒有告訴我們，能夠自我繁殖的簡單生命是如何產(chǎn)生的。

機(jī)器人化學(xué)家有助于加快化學(xué)合成這就是化學(xué)家對(duì)“如何通過化學(xué)反應(yīng)將無生命的化學(xué)物質(zhì)變成最簡單的生命”感興趣的原因。發(fā)生這種情況的方式有數(shù)十億種。因此，英國格拉斯哥大學(xué)的李·克羅寧（Lee Cronin）正在使用機(jī)器人來幫助調(diào)查。他和他的團(tuán)隊(duì)將一些簡單物質(zhì)（如酸、無機(jī)礦物質(zhì)和含碳無機(jī)物）放在一起進(jìn)行隨機(jī)反應(yīng)，然后算法幫助機(jī)器人分析結(jié)果。這樣，機(jī)器人就可以在海量的結(jié)果中進(jìn)行搜索，看看是否有任何自我復(fù)制的生命出現(xiàn)。

重建地球上生命的起源可以幫助我們更好地識(shí)別其他行星上的生命跡象。