英国皇家化学会评出的2016年化学前沿亮点，分子机器、人造章鱼等入选

Original 2016-12-19 huaxuejia 化学加

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导读

时光如白驹过隙，2016年转眼就要跟我们说再见了。对于化学学科前沿研究来讲，2016年是不平凡的一年，我们见证了诸多突破与革新。英国皇家化学会杂志Chemistry World评出本年度研究亮点，现与大家分享如下。

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分子机器
每年化学诺贝尔奖的颁发都会带火一个领域，今年的化学诺贝尔奖则颁给了在分子机器领域有着杰出贡献的Jean-Pierre Sauvage、Fraser Stoddart 和 Ben Feringa。所谓的分子机器，是指可以像马达、开关一样产生机械运动的互锁分子。2016年这个领域的亮点不少。
来自英国曼彻斯特大学David Leigh课题组研究出一种“机器人”分子（Nat Chem 2016, 8 (2), 138-143.），它可以像机器人一般对所要运载的客体分子进行“载货”和“卸货”。这是人类首次在如此小的尺度创造出一个机器人，对人类进行新型分子器件的设计有着重要的意义。

图1 可以进行“载货”和“卸货”的分子机器人示意图及其结构
David Leigh还开发出一种“化学燃料分子马达”（Nature 2016, 534 (7606), 235-240.），其工作原理类似于细胞内ATP来驱动蛋白。

图2 该种分子马达示意图
其他研究小组的成果也同样令人兴奋，英国科学家Andrew Turberfield与Rachel O’Reilly开发出一种类似核糖体的分子机器（Nat Chem 2016, 8 (6), 542-548.）。
人造章鱼
软体机器人这个概念听起来怎么样？人造章鱼就是就是这个领域的一个优秀研究成果（Nature 2016, 536 (7617), 451-455.）。这项哈佛大学的科研进展的确让我们眼前一亮。尽管这种章鱼机器人还没有什么实际用途，但是其概念的证明就已经具有足够的科学意义。因为这是人类首次完全利用软材料生产出自驱动、无连线的机器人。

图3 人造章鱼的设计图与实体图，利用存储在材料内部的过氧化氢，章鱼触手可以产生不同的动作。
合成化学师：软件版
在合成化学领域，计算机科学的应用真的再一次刷新了我们的三观。去年，科学家Bartosz Grzybowski开发出一款软件Chematica，可以自动为化学家们设计新物质合成路线，将广大有机化学工作者中从海量的文献中解放出来。2016年，该课题组又开发出新的功能模块Syntaurus（Angewandte Chemie International Edition 2016, 55 (20), 5904-5937.），它包含了两万多种化学合成规则，利用其给出的合成路线，成功进行了epicolactone的全合成。

图4 软件Chematica通过已有的合成反应优化药物vardenafil的合成路线
二维材料家族再添新成员
石墨烯也许再也不用感到孤单，因为今年的二维材料家族增添了新的成员。二维形式的硼（Angewandte Chemie International Edition 2015, 54 (51), 15473-15477.）、锑（Advanced Materials 2016, 28 (30), 6332-6336.）相继被开发出来。后者也被称为锑烯，具有着二维材料很罕见的水稳定性。另外，理论科学家预测出“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，这种材料在太阳能电池领域将有着广阔的应用。

图5 使用化学蒸汽沉积法可以得到硼的二维材料
让改变发生的催化剂
美国南加州大学George Olah与Surya Prakash领导的课题组开发出一种技术（Journal of the American Chemical Society 2016, 138 (3), 778-781.），可以从大气中捕捉二氧化碳，在一种钌金属催化剂下可以与氢气反应制备甲醇。研究者希望可以将该种工艺放大生产甲醇燃料。
普林斯顿大学Paul Chirik实验室开发出一种用于同位素氚标记的铁催化剂（Nature 2016, 529 (7585), 195-199.），氚标记技术可以有效降低物质的放射性危害。这种催化剂的绝妙之处在于，可以在低压下发挥功效，同时可以标记传统方式中难以标记的位点。这种标记技术对于测试药物的效率与安全性具有极大的意义。

图6 用于氚标记的铁催化剂
不过，在催化化学领域，也有一些极富“脑洞”的工作。比如英国Queen Mary University of London的Remzi Becer 就发现，铜硬币还可以催化单电子转移活性自由基聚合（SET-LRP），效率比传统使用的铜线更高（Polymer Chemistry 2016, 7 (43), 6564-6569.）。

图7 利用铜硬币来催化活性自由基聚合
稍纵即逝也能被“抓拍”
近些年来，原子力显微镜（AFM）在更小的尺度上的观察力可以说是突飞猛进。2016年，瑞士IBM研究中心的Leo Gross和他的小伙伴们利用电压控制了一个反应的正逆，并用AFM捕捉到了这一奇妙的反应过程（Nat Chem 2016, 8 (3), 220-224.）。

图8 AFM清晰地观察到了该化学反应的变化过程
3D打印：一切皆有可能
3D打印一直是这几年来的研究热点，从材料设计到组织工程，从航天飞机到跑车，几乎在各个生产制造领域你都能看见它的身影。2016年自然也不会少了3D打印这么一个主角。
美国北卡Wake Forest Institute for Regenerative Medicine的Anthony Atala发明了一种技术，让人类离制造组织和器官更近了一步（Nat Biotech 2016, 34 (3), 312-319.）。他们设计出的3D系统可以以细胞为打印材料，并维持其结构的完整性。具体来讲，将含有活细胞的水凝胶打印在可降解高分子的“模子”里，随后将“模子”降解除去。该体系同样可以把微管道打印在产品之中，这些微管道可用来模拟血管的作用，即传输氧气与其他营养物质。

图9 该3D打印体系的基本构造
3D打印领域的另一项重大突破来自于美国HRL实验室的Tobias Schaedler研究小组，他们实现了陶瓷的3D打印（Science 2016, 351 (6268), 58-62.）。在以往的研究中，陶瓷由于非常脆，只能依靠在高温下烧结进行成型，限制了其在3D打印领域的应用。Tobias Schaedler则迂回解决了这一难题，他们先使用高分子材料进行3D打印成型，随后将其热解制备陶瓷。

图10 聚合物为前体材料制备3D陶瓷结构
电镜照片也能多彩
电镜是观察微观世界的有效手段之一，不过，永远是黑白灰的色调就如同老电影一样略显无聊。如果能有一台彩色的电镜就好了。美国加州大学圣地亚哥分校的Mark Ellisman和Roger Tsien让这一梦想成为了现实。
他们用二氨基联苯胺（DAB）与稀土元素来处理细胞，当光敏蛋白收到某种特定波长光源照射的时候，就会释放出活性氧，它们会引起5nm范围内的DAB聚合，而稀土元素则会根据其连接的DAB聚合物的差别，通过能量损失光谱显现出不同的颜色。

图11 彩色电镜技术看到的细胞内的某种蛋白
说不尽的太阳能
2016年的太阳照常升起，所以科学家们对于太阳能利用的探索也不会中止。
钙钛矿太阳电池可谓是红得发紫。瑞士联邦理工学院的Michael Grätzel发明了面积超过1cm²的钙钛矿太阳能器件，其能量转换效率达到了创纪录的19.6%。（Science 2016, 353 (6294), 58-62.）

图12 该类钙钛矿太阳能电池的制造过程与结构
中国海洋大学的唐群委发明了一种新型太阳能电池（Angewandte Chemie 2016, 128 (46), 14624-14628.），不仅可以利用太阳能，还可以利用雨水来产生电能，这个成果对于一些多雨国家非常有价值。
在人类认识世界、改造世界的过程中，化学学科是必不可少的学科之一，我们很欣慰地看到2016年如此多的优秀研究成果，真正地或有可能改善着这个世界，这是每一个化学人的骄傲和自豪。所以，在科研中披荆斩棘的你，是不是也在期待2017年的新突破？