制造藥品和復(fù)雜材料的化學(xué)過程紛繁復(fù)雜，往往還會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種比傳統(tǒng)化學(xué)更巧妙的方式來設(shè)計(jì)“原子之舞”：用靜電場(chǎng)來代替催化劑。這一創(chuàng)新設(shè)想或許將為我們帶來一個(gè)更清潔、更環(huán)保的綠色未來
新工具化繁為簡(jiǎn)
化學(xué)世界或?qū)⑻旆馗?/span>
每天，從睜開眼迎接新的一天起，我們的目光所及之處，會(huì)發(fā)現(xiàn)化學(xué)家們的杰作幾乎無處不在——牙膏中的香料、沐浴露帶來的宜人觸感、衣服中的聚酯纖維，都是化學(xué)鍵斷裂和結(jié)合的產(chǎn)物。現(xiàn)代世界所依賴的幾乎所有材料，都是化學(xué)家們通過化學(xué)合成創(chuàng)造出來的。
然而，化學(xué)家們的工作并非如我們想象中的那么簡(jiǎn)單。例如，抗病毒藥物瑞德西韋的開發(fā)過程就極為繁復(fù)?；瘜W(xué)家們先要從一種叫做丙氨酸的小分子開始，然后通過25個(gè)獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)過程，添加上64個(gè)原子，才能最后制成藥物。
創(chuàng)造這樣的化學(xué)奇跡，不僅步驟非常繁復(fù)，工作過程也充斥著難以想象的臟亂。合成化學(xué)家的大部分時(shí)間都在與糊狀物、粉末和起泡溶液打交道。除了實(shí)驗(yàn)室里的凌亂，他們還常常需要忍受各種難聞氣味的煎熬。
或許有一種新的方法可以讓化學(xué)合成變得更加簡(jiǎn)單、潔凈。越來越多的化學(xué)家正在試驗(yàn)一種新工具來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，那就是電場(chǎng)。它不僅有助于化學(xué)家更精確地控制原子的急速移動(dòng)，還能極大地減輕化學(xué)反應(yīng)過程對(duì)環(huán)境的破壞。如果這種方法真的可行，化學(xué)世界將發(fā)生天翻地覆的變化。
按需操控電子流
催化加速創(chuàng)造新物質(zhì)
這種新工具為何會(huì)給我們帶來如此光明的前景？首先，我們需要了解在任何化學(xué)反應(yīng)中都極為重要的東西——電子流。
電子是帶負(fù)電的粒子，在某個(gè)化學(xué)分子中，電子在帶正電的原子核之間旋轉(zhuǎn)，與原子結(jié)合在一起?；瘜W(xué)家的合成工作就是誘使這種電子流從一處流到另一處，使原子支架重新排列或延伸，從而形成令人驚嘆的新物質(zhì)。
為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生新物質(zhì)的目標(biāo)，化學(xué)家們通常需要關(guān)注所涉及分子的極性，以及它們內(nèi)部正負(fù)電荷的總體分布狀況。理解并掌控這一過程，化學(xué)家就可以按照自己的意愿去引導(dǎo)電子的流向。
化學(xué)反應(yīng)是許多化學(xué)成分相互作用的結(jié)果。一般情況下，反應(yīng)只包括少數(shù)幾種成分。通常，化學(xué)家們會(huì)將一種化學(xué)物質(zhì)添加到由一種或多種其他化學(xué)物質(zhì)組成的液體中，新加入的物質(zhì)以某種方式與原來的物質(zhì)結(jié)合，令其化學(xué)性狀發(fā)生改變，從而生成新的化學(xué)物質(zhì)。還有一點(diǎn)很重要，要更有效率地完成這樣的化學(xué)反應(yīng)，往往還需要有某種催化劑的參與——這些添加進(jìn)去的催化劑可使反應(yīng)進(jìn)行得更快、產(chǎn)生更多人們希望得到的物質(zhì)。如若沒有催化劑的加入，化學(xué)反應(yīng)就可能會(huì)進(jìn)行得非常緩慢，甚至失敗。
催化劑雖然很奇妙，但它們也給實(shí)驗(yàn)人員帶來很多困擾。首先，催化劑必須由某種原材料制成或提純，這需要時(shí)間，而且往往需要消耗大量能量，在這個(gè)過程中還會(huì)釋放出大量二氧化碳。其次，反應(yīng)結(jié)束后，必須小心地將添加進(jìn)去的催化劑從化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物中分離出來。這樣做，一是因?yàn)橛谢厥諆r(jià)值的催化劑必須分離出來，二是因?yàn)榛瘜W(xué)家們可不想他們的任何實(shí)驗(yàn)成果因催化劑的存在而受污染。
由此可見，化學(xué)家們操縱化學(xué)反應(yīng)的過程確實(shí)是一項(xiàng)繁雜而艱苦的工作。但是，化學(xué)反應(yīng)過程是否能夠不依賴于催化劑呢？誠(chéng)然，化學(xué)家們可以利用一些傳統(tǒng)化學(xué)的手段，比如加熱，這通?？杉铀俜磻?yīng)，但這種方法可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的副反應(yīng)。此外，少數(shù)特定波長(zhǎng)的光也能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，但可惜真正能派上用場(chǎng)的非常少。
50年漫長(zhǎng)探索
從“白日夢(mèng)”走向現(xiàn)實(shí)
幾十年來，以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的沙森·沙伊克一直在想，是否有更好的促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的辦法呢？
上世紀(jì)70年代，當(dāng)沙伊克還是一名學(xué)生時(shí)，他偶然發(fā)現(xiàn)，高濃度鹽可以作為一種非常有效的催化劑來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)槿芤褐械柠}會(huì)導(dǎo)電。這讓沙伊克突然意識(shí)到，也許在其中起作用的是電場(chǎng)。
這在理論上是說得通的。電場(chǎng)實(shí)際上就是電荷從正電荷的一端流向負(fù)電荷那一端的一片空間。如果你能給某個(gè)分子施加電場(chǎng)，那么你就可以促使電子加速流動(dòng)。如果改變磁場(chǎng)方向，電子就會(huì)反方向流動(dòng)。
沙伊克認(rèn)為，施加一個(gè)外部電場(chǎng)可能會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)，并可準(zhǔn)確判斷某種化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，“這是每個(gè)化學(xué)家都?jí)裘乱郧蟮幕瘜W(xué)反應(yīng)控制效應(yīng)”。
通過計(jì)算機(jī)模擬，沙伊克首先對(duì)自己的想法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果似乎是成功的。于是，從2009年起，他對(duì)化學(xué)合成領(lǐng)域內(nèi)非常重要的狄爾斯—阿爾德反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。這是一個(gè)環(huán)加成反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，電場(chǎng)可以加速反應(yīng)，并對(duì)環(huán)的形成產(chǎn)生影響。
在沙伊克的模擬實(shí)驗(yàn)中，電場(chǎng)與分子對(duì)齊是成功的關(guān)鍵。在圓底燒瓶中，分子一片混沌，以各個(gè)角度旋轉(zhuǎn)于溶液中，這意味著任何外部電場(chǎng)在任何時(shí)候都只能與其中一小撮分子對(duì)齊。沙伊克多年來夢(mèng)寐以求的電場(chǎng)“催化劑”，效果似乎也只能做到這樣。
但是，有一種方法也許可以讓分子靜止不動(dòng)——固定于另一種分子表面。
2016年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的米歇爾·庫特用這種方法對(duì)沙伊克的狄爾斯-阿爾德模型進(jìn)行測(cè)試，并取得了成功。庫特和她的團(tuán)隊(duì)與澳大利亞柯廷大學(xué)的納迪姆·達(dá)爾維什合作，將一種物質(zhì)的分子固定在金屬表面，將另一種準(zhǔn)備與其進(jìn)行反應(yīng)物質(zhì)的分子固定在一種特殊顯微鏡的尖端。在電場(chǎng)作用下，這兩種分子以可控方式結(jié)合在一起，當(dāng)電場(chǎng)電壓增加時(shí)，分子間的結(jié)合速度會(huì)加快。庫特表示，電場(chǎng)催化了這個(gè)反應(yīng)，完全符合預(yù)期。
事實(shí)證明，這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從此，許多化學(xué)家開始意識(shí)到，利用電場(chǎng)控制化學(xué)反應(yīng)的想法并不只是理論上的白日夢(mèng)，而是有創(chuàng)意的化學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里可以做到的事情。
印度科學(xué)培育協(xié)會(huì)的阿揚(yáng)·達(dá)塔就是其中一位。他已開始探索電場(chǎng)是否能在更多更廣泛的化學(xué)反應(yīng)中起到催化作用。最近，他利用電場(chǎng)作為“催化劑”，模擬了一種在合成化學(xué)中廣泛應(yīng)用的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施加電場(chǎng)減少了反應(yīng)所需的能量，并使反應(yīng)發(fā)生的速度至少加快了一倍。
讓分子對(duì)齊
靜電場(chǎng)催化挑戰(zhàn)更高效率
盡管有不少成功例子，但這種方法的實(shí)際可行性仍存在爭(zhēng)議。
例如，在庫特的研究中，顯微鏡的尖端一次只作用于一個(gè)分子。如果人們想用這種方法制造出一克重量的藥物分子，我們需要以這種方法對(duì)1021個(gè)分子進(jìn)行處理——以每秒一個(gè)的速度，耗時(shí)需一萬億年以上，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。
因此，我們需要某種更好的方法讓電場(chǎng)“催化劑”能夠投入實(shí)際應(yīng)用。
幾年前，美國(guó)斯坦福大學(xué)的馬修·卡南發(fā)明了一種小裝置。在這個(gè)裝置中，化學(xué)溶液沿著一條細(xì)細(xì)的通道不斷流動(dòng)，這個(gè)通道穿過覆蓋在兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)。他報(bào)告稱，這個(gè)裝置明顯提高了反應(yīng)速率，通過電場(chǎng)極性的變化還可改變反應(yīng)結(jié)果。這種方法顯然比庫特在顯微鏡下“粘貼”分子效率更高。但是卡南沒有進(jìn)行下一步探索的想法，他說這個(gè)方法仍然存在“重大技術(shù)挑戰(zhàn)”。
庫特也沒有放棄。過去幾年里，她一直在探索另一種方式，一種更宏大的利用電場(chǎng)的方式。這一次，她利用的是我們大多數(shù)人都體驗(yàn)過的靜電現(xiàn)象。
眾所周知，如果你用氣球在織物上摩擦，就會(huì)產(chǎn)生靜電，然后將氣球舉到頭發(fā)上，靜電就會(huì)把頭發(fā)“吸”起來。當(dāng)某些材料在一起摩擦，電子會(huì)從某種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜電，從而形成一個(gè)電場(chǎng)。
庫特和她同在科廷大學(xué)的同事西蒙·切姆皮對(duì)這種能夠讓人頭發(fā)聳立的靜電現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)。他們用一些直徑達(dá)1米的塑料薄片，通過幾秒摩擦使其產(chǎn)生靜電。然后，他們將這些薄片放在一個(gè)滾筒系統(tǒng)上，浸入裝滿反應(yīng)溶液的容器內(nèi)。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，這些帶電表面可以加速電子從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子，從而在化學(xué)反應(yīng)中起到催化作用。
雖然這種方法目前尚處于初期實(shí)驗(yàn)階段，但切姆皮說，該方法“毫無疑問”可以擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器。這種方法也可以通過一些改進(jìn)變得更便捷有效。例如，可以將薄片改為某種反應(yīng)棒，將每根反應(yīng)棒的一頭浸在溶液中，另一頭不斷摩擦生電。另一個(gè)設(shè)想是，將溶液滴到塑料片上鋪展開，使之與靜電場(chǎng)保持更持久的接觸。
所有這些都表明，讓一個(gè)個(gè)流動(dòng)的分子與電場(chǎng)對(duì)齊的想法并非異想天開。根據(jù)切姆皮的說法，一些分子總會(huì)隨機(jī)與電場(chǎng)對(duì)齊，帶靜電的表面越大，停留時(shí)間越長(zhǎng)，與電場(chǎng)對(duì)齊的分子就越多。另外，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分子接近帶電表面時(shí)，它們會(huì)有與帶電表面對(duì)齊的傾向性。
便捷環(huán)保
讓化學(xué)合成更輕松高效
如果電催化真能成為化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的主流工具，它將成為最受歡迎的綠色手段之一。
常規(guī)的催化劑通常會(huì)使用金屬，它們不僅價(jià)格昂貴，有的甚至還會(huì)產(chǎn)生毒性，最后還得小心翼翼地將它們從反應(yīng)混合物中除去，并最終處理掉。利用靜電場(chǎng)來催化化學(xué)反應(yīng)，這些都不需要了?！半姶艌?chǎng)可以隨時(shí)關(guān)閉，這是一種更干凈、更環(huán)保的反應(yīng)方式?！边_(dá)塔說。
沙伊克還希望靜電場(chǎng)能為其他一些非常棘手的化學(xué)問題提供解決方案。例如，如何分解某些類型的塑料進(jìn)行回收利用， “塑料污染形勢(shì)嚴(yán)峻，目前還沒有什么好的解決方法”。
庫特對(duì)靜電場(chǎng)在未來化學(xué)中的作用持樂觀態(tài)度。因?yàn)樗蟹肿佣加幸欢ǔ潭鹊碾姎鈽O性。她認(rèn)為，利用電場(chǎng)來催化任何化學(xué)反應(yīng)都是可行的，但可能還需要幾年時(shí)間才有可能達(dá)到這一目標(biāo)。但目前，靜電場(chǎng)至少可以讓化學(xué)家們的工作變得更輕松、更高效。
作者：方陵生/ 編譯
圖片來源：視覺中國(guó)
