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改变世界的化学物质(改变世界的化学物质)

Time:2024-06-20 09:23:23 Read:54 作者:CEO

更多操纵分子的方法正在给我们带来进步,从吸收空气中的温室气体,到发明无限可回收的塑料,甚至创造生命。

制作仿生叶子

改变世界的化学物质(改变世界的化学物质)

(资料图)

人类活动离不开能源,但燃烧化石燃料会释放温室气体,导致气候变暖。这足以让我们羡慕植物,它们的光合作用利用太阳能,同时也消耗二氧化碳。如果我们能够大规模模仿这种技术,那就太好了。

不幸的是,光合作用很难模仿。它涉及许多过程,包括捕获阳光、分解水产生氢气,以及将氢气与空气中的二氧化碳结合最终产生碳水化合物。在自然界中,这项工作是由经过数亿年进化的酶完成的。即便如此,光合作用的效率仍然低于1%。

十年前,哈佛大学的化学家丹尼尔·诺塞拉(Daniel Nocera)向前迈出了一大步,他开发了一种基于镍和钴的催化剂,可以在阳光下分解水。然而,这只是光合作用迈出的一小步,此后就再也没有任何进展。

后来,人们意识到,与其从头到尾模仿光合作用,不如制造仿生叶子。叶子通常由能有效吸收阳光的材料制成,并含有善于将燃料分子结合在一起的酶蛋白。英国剑桥大学的一个团队最近使用一种名为钙钛矿的材料来收集阳光并将其与甲酸脱氢酶结合。这种仿生叶子可以产生甲酸,一种用于燃料电池的化学物质,其效率几乎等于自然界中光合作用的效率。

诺塞拉采取了类似的方法。 2016年,他发明了一种装置,利用催化剂在阳光下将水分解成氢离子和电子,并将这些氢离子和电子传输给生物工程细菌;然后生物工程细菌将空气中的二氧化碳转化为生物质燃料的效率几乎达到11%,比自然界光合作用的效率高出10倍以上。

仿生叶子这个挑战或多或少在技术上已经得到解决,目前的问题是缺乏付诸实践的意愿。对于发达国家来说,使用任何生物质燃料都会产生碳排放,不环保;对于发展中国家来说,通过这种方式生产的生物质燃料成本较高,因此最好直接使用化石燃料。

建造分子机器

从历史上看,活塞和齿轮等简单机器的组合创造出了可以取代人力的机器(例如蒸汽机),引发了工业革命。如今,化学家正在开发以原子为组件的分子机器,这同样具有革命性。

简单的分子机器在20 年前就已被开发出来,其中包括可以沿轴移动的分子轮。这项工作的三位先驱者还获得了2016 年诺贝尔奖。

更多的分子机器正在建造和测试中。例如,几年前,美国莱斯大学的科学家发明了一种分子机器,可以在细胞膜上打开孔洞,让药物输送到细胞内。

分子机器分子机器的潜力巨大。毕竟,生物体内的许多细胞器本身就可以被视为分子机器。例如,核糖体可以被视为组装蛋白质的分子机器。它将氨基酸分子组装成各种蛋白质。

2021年,英国曼彻斯特大学的科学家开发出人工核糖体。它的主体是一个带有“臂”的环形分子,当它在轨道上移动时,它会拾起遇到的碎片并将它们连接在一起。目前,它可以生产含有10个氨基酸的多肽链(由多个氨基酸连接而成的链)。

目前,人工核糖体还无法超越天然核糖体,但它们的潜力是惊人的。要知道,自然界中的氨基酸只有20种左右。天然核糖体只能利用这20种氨基酸来组装蛋白质。人工核糖体不受此限制,可以组装自然界中不存在的任何氨基酸或其他分子。因此,这种分子机器未来将能够为我们创造出许多连大自然都无法比拟的新材料。

吸收空气中的甲烷

我们通常将全球变暖归咎于二氧化碳,但实际上还有另一种温室气体:甲烷。尽管排放到大气中的甲烷比二氧化碳少得多,但甲烷的温室效应却比同体积的二氧化碳强20倍以上。此外,甲烷还可以与工厂和汽车排放的废气发生反应,产生有毒气体。

去除空气中的甲烷将有助于阻止气温上升。据估计,从大气中每去除十亿吨甲烷,地表温度就会降低约0.2C。

从空气中捕获二氧化碳的技术已经存在多年,但捕获甲烷并不容易,因为二氧化碳很容易溶于水,而甲烷几乎不溶。

尽管空气中的甲烷不稳定,迟早会转化为二氧化碳,但人们仍然想方设法减少甲烷排放。一种解决方案不是捕获甲烷,而是通过化学方式将其转化为二氧化碳,二氧化碳的温室效应比甲烷小得多。美国大多数州已经在使用这个想法来解决垃圾填埋场的甲烷泄漏问题。他们利用微生物将甲烷转化为二氧化碳。

此外,也可以使用沸石。沸石充满了极其细小的孔隙,可以吸收甲烷,然后通过催化反应将其转化为甲醇。虽然这项技术还不成熟,但前景广阔。

寻找锂电池替代品

我们停止燃烧化石燃料的关键是从风能和太阳能等可再生能源中获取电力。然而这些能源受到自然条件的限制,并不能随时为我们提供电力。这就需要电池来储存电力。

现在最常用的是锂电池,但地球上的锂资源是有限的。为此,化学家希望寻找另一种方法。

我们知道,锂在电池中的作用是将电荷从一个电极传输到另一个电极。锂离子非常小,这意味着锂电池既可以做到高容量,又可以做到小而轻。但还有其他竞争者来争夺这一负责人的角色。一种是钠,它的+1电荷与锂相同,但稍大一些。钠几乎取之不尽用之不竭,并且在海水中很容易获得。为了达到与锂电池相同的容量,钠电池必须做得更大。这当然是一个缺点,但它可以用在不需要便携性的场合,比如储存太阳能产生的电力。

此外,在锂电池中,电极由钴制成。这是电池的关键部件。但钴在地球上也是一种有限资源,因此我们需要设计不使用钴的新型电池。这涉及尝试大量的材料组合,以找到高容量的替代品。这是一个非常耗时的过程。英国谢菲尔德大学的科学家们一直在试验一种在微波炉中制作电极的方法,这个过程只需20分钟,比通常的方法快得多。我们相信这样的替代方案可能很快就会出现。

创造无限可回收的塑料

塑料是聚合物,是通过牢固的化学键结合在一起的长分子链。撕裂这些化学键并将其恢复为小分子通常是一个棘手的化学问题。这就是为什么它们难以降解或回收。

我们在处理塑料方面已经取得了一些小成功。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 通常用于制造塑料瓶,只需将其粉碎并重新成型即可制成新瓶子。这个过程甚至不需要化学反应。

但对于大多数塑料来说,处理它们是一个问题。以聚氯乙烯(PVC)为例。没有已知的方法来回收它。即使在高温下分解,最终产物也是一种叫做氯乙烯的有毒化合物。

在塑料回收工作中,化学家的任务是设计新的反应,将塑料分解成可以重复使用的分子。加州大学的科学家最近在回收聚烯烃塑料方面取得了成功。他们开发了一种技术,利用催化剂将这些塑料分解成更小的分子,这些分子可以用作洗涤剂或油漆的原材料。

我们还需要设计更容易降解或回收的塑料。一个例子是加州大学科学家发明的一种塑料。他们在塑料中添加了微小的含酶胶囊。当塑料的使用寿命到期时,只需将其在温水中浸泡一周即可。酶被释放,将塑料分解成小分子。

化学合成自动化

也许现代化学中最繁琐的任务是化学合成。这是简单分子拼接在一起形成一些复杂分子的过程。许多药物都是通过这种方式开发的。合成化学家经常在实验室中花费数年时间混合、搅拌、纯化,然后测试大量新分子的特性。

然而,他们开始考虑这些任务可以由机器人来完成。为此,英国利物浦大学的科学家建造了一个机器人化学家,用它来制造可以充当催化剂的分子,然后自动测试每种潜在催化剂的性能。

科技巨头IBM也在进行自动化实验。它使用包含300 万个化学反应的数据库来训练机器人。

一个更雄心勃勃的计划是将化学自动化到任何人都可以做到的程度。例如,通过输入化学式,您可以使用现有的常见化学品作为起点来创建复杂的分子。这可以在太空旅行或殖民外星球时提供极大的便利。

创造人工生命

地球是如何从一个贫瘠的岩石星球变成一个生物繁茂的世界的?

20世纪50年代,美国化学家斯坦利·米勒将一些无机物质混合,放入密封罐中,模拟早期地球的环境条件,创造出氨基酸分子。这表明生命的关键组成部分氨基酸可以自发形成。虽然这是一个巨大的进步,但它仍然没有告诉我们,能够自我繁殖的简单生命是如何产生的。

机器人化学家有助于加快化学合成这就是化学家对“如何通过化学反应将无生命的化学物质变成最简单的生命”感兴趣的原因。发生这种情况的方式有数十亿种。因此,英国格拉斯哥大学的李·克罗宁(Lee Cronin)正在使用机器人来帮助调查。他和他的团队将一些简单物质(如酸、无机矿物质和含碳无机物)放在一起进行随机反应,然后算法帮助机器人分析结果。这样,机器人就可以在海量的结果中进行搜索,看看是否有任何自我复制的生命出现。

重建地球上生命的起源可以帮助我们更好地识别其他行星上的生命迹象。

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