2018“最受关注”的8篇文章 | Cell Press旗下基础科学类期刊
历经40多年的发展，Cell Press一直是生命科学领域的出版先锋，近几年更从生命科学拓展到整个基础科学领域，新创刊物有化学期刊Chem、能源期刊Joule、材料科学期刊Matter、环境科学期刊One Earth 、交叉学科期刊iScience 等。辞旧迎新之际，出版社的编辑们选出了Cell Press旗下基础科学类期刊2018年“最受关注（most talked about）”的8篇文章，以下是这些文章的概述和简评。（注意：原文全文限时一周开放阅读，请在本公众号对话框输入“physical”获取链接）
1. A process for capturing CO2 from the atmosphere
David W. Keith*, Geoffrey Holmes, David St. Angelo, Kenton Heidel
Joule, 2018, 2, 1573-1594
研究介绍：
从空气中直接捕获（DAC）温室气体二氧化碳（CO2），并将其作为原料用于燃料或者其他化合物的生产，被认为是最有希望遏制CO2大气含量快速上升的方案之一。但目前DAC技术要么成本高昂得不偿失，要么过于复杂难以商业化。美国哈佛大学教授、Carbon Engineering公司的创始人David Keith博士等人报道了一种廉价且有效的工艺，用天然气（电能）供能，从空气中直接收集纯化CO2。与很多只见于论文的DAC方法不同，他们的工艺已经在中试工厂中运行了数年，而且他们还基于实际运行数据进行了详细的成本分析，将成本从每吨CO2约600-1000美元降低到每吨94-232美元，为进一步的规模化打下了坚实基础。
研究点评：
这一工作如此引人关注的关键在于相关工艺已经在中试工厂中运行了数年，由此所得结论比仅仅依靠实验室小规模短时间实验以及理论预测有说服力的多。如果可以顺利商业化，就意味着人类终于找到一种可以大规模推行的方法来解决地球气候问题，而不用太多改变生活习惯来减少碳排放。这一工艺为大规模高效推进CO2转换和应用，克服日益增长的碳排放对人类生存环境的影响打下坚实基础，是众多CO2 固定及转化研究中一个里程碑式的记录。
2. Multifunctional Graphene Hair Dye
Chong Luo, Lingye Zhou, Kevin Chiou, Jiaxing Huang*
Chem, 2018, 4, 784-794
研究介绍：
传统染发剂一般都包括胺类化合物，以打开头发的角质，使染色剂可以更快进入头发结构内部。这样不但对发质有损伤，而且所用化合物有毒或者有强致敏性，会对健康造成威胁。美国西北大学黄嘉兴（Jiaxing Huang）课题组利用石墨烯代替有毒的分子制备了一种更安全的染发剂。这种染发剂是一种水性溶液，不含有机溶剂或有毒成分。通过简便的喷涂或者刷涂，仅需10分钟就可在头发表面形成一层均匀的薄膜，完成染色且不损伤发质。这种染发剂还可调节颜色，甚至实现渐变色，染色后至少可以经历30次的洗发水清洗而不明显褪色。同时，由于石墨烯优异的导电性，还可以改善干燥季节中静电对发型带来的困扰，可谓一举多得。
研究点评：
石墨烯具有许多独特的的理化性质，常常以“明星材料”示人，在材料学、纳米技术、能源、光学、生物医学、化学等领域有着广阔的应用前景，而黄教授团队将石墨烯用于非常“接地气”的染发剂，让人耳目一新，或许能为石墨烯的实际应用带来更多启发。唯一的遗憾，目前这种石墨烯能实现的颜色只是从棕色到黑色，别的颜色还有待进一步研究。
3. Bitcoin's Growing Energy Problem
Alex de Vries
Joule, 2018, 2, 801-805
文章介绍：
虽然比特币这种虚拟加密货币诞生已经有十年的历史，但近几年因为价格飙升才逐渐被大众关注）。如此高价也使得比特币的热度持续上升，利用计算机获取比特币（俗称“挖矿”）也成了很多人所热衷的活动。挖矿离不开高配置的计算机（俗称“矿机”），矿机运行过程所消耗的电力也相当惊人。2018年5月Joule杂志发表的一篇评论文章，对全球比特币挖矿行为的耗电量进行了定量的评估。根据这项评估，当时全球比特币挖矿的耗电量至少是2.55吉瓦（1吉瓦即10亿瓦），而预测到2018年底左右（也就是现在），比特币挖矿的耗电量将达到7.7吉瓦，这接近于奥地利全国的耗电量，也相当于全球总耗电量的0.5%！而且，如果比特币的价格按照有些专家预测的速度继续上涨的话，挖矿的电能消耗在未来可能还会达到全球总用电量的5%。
文章点评：
比特币虽然是虚拟货币，但获得比特币的代价却是实实在在的真金白银。挖矿的热度取决于比特币的成本收益比，矿机硬件费用以及电费是挖矿的主要成本。当挖矿的成本接近甚至超过比特币的收益时，必然会影响挖矿热度。2018年上半年比特币价格还在5848-11480美元之间波动，完全有利可图，但下半年却迎来了历史转折点，尤其是11月开始连番暴跌，在年底时仅有3680美元左右，全年暴跌73%，比特币价格已经低于挖矿成本。这种情况下，世界各地矿场关门的消息层出不穷，比特币相关行业迎来了真正的寒冬。该研究见证了比特币的兴起到衰落的高点，也引发了更多的关注。
4. Efficient Syntheses of Diverse, Medicinally Relevant Targets Planned by Computer and Executed in the Laboratory
Tomasz Klucznik, Barbara Mikulak-Klucznik, Michael P. McCormack…Milan Mrksich*, Sarah L.J. Trice*, Bartosz A. Grzybowski*
Chem, 2018, 4, 522-532
研究介绍：
如果计算机能拥有人类化学家的经验和知识，再结合超大容量的文献数据库是否就能轻松实现分子合成路线的完美设计？在过去的17年时间里，韩国蔚山国家科学技术学院（UNIST）的Bartosz Grzybowski教授及其团队开发了一款名为Chematica的合成软件，并为其构建了一个包含约700多万个有机分子的超大数据库，并通过相似数量的有机反应将它们彼此连接形成化学网络，并且他们手动录入超过5万个有机反应规则来告诉Chematica任何小分子在反应中可能会发生的变化。化学家只需将目标分子的结构输入软件中，Chematica就可以根据一组搜索和分析此网络的算法在短时间内设计出合成路线，同时从成本、原料是否易得、反应步骤数、反应的操作难度等多方面对每条路线进行评价，最后综合决策最优合成路线。
为了证明Chematica并不是纸上谈兵，Bartosz Grzybowski教授与美国西北大学的Milan Mrksich教授以及Merck旗下的美国MilliporeSigma公司的研发人员合作，使用Chematica在实验室进行了一场实战演练。结果表明，对于7个目标分子，Chematica创建的路线不仅与此前化学家报道的合成路线明显不同，而且步骤更少或是产率更高、耗时更短、成本更低。此外，第8个天然产物更是在Chematica的帮助下实现了首次合成。
Chematica的成功让有机合成大师K. C. Nicolaou赞赏不已，他说道，“这个结果振奋人心，可以促使药物合成大踏步前进。通过减少单调沉闷的逆合成分析工作，Chematica能够大幅提高实验室合成的效率。”
研究点评：
Chematica在逆合成分析方面所展现的能力似乎要比人类化学家还要强，但事实上，它更算是一款强大的工具，帮助化学家在合成某个目标分子时节约时间和金钱，而不是取而代之。Chematica的算法主要取决于有机反应规则，可以认为它通过模仿人类化学家的思维方式进行工作，因而它并不会影响新有机反应的发现，更不会取代人类的智慧。
5. Organic Batteries Operated at −70 °C
Xiaoli Dong, Zhaowei Guo, Ziyang Guo, Yonggang Wang*, Yongyao Xia*
Joule, 2018, 2, 902-913
研究介绍：
锂离子电池工作时，锂离子会在正极和负极之间移动，即“摇椅式”锂离子电池嵌锂脱锂机理，而低温下电解质的离子导电性大幅下降甚至出现冻结，会极大地影响其性能。当温度低至-20 ℃时，大多数锂离子电池容量会下降约一半，而在-40 ℃时，容量就只剩下室温容量的一成左右。复旦大学夏永姚教授团队以凝固点低至-84 ℃的乙酸乙酯为溶剂，溶解双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）制成低温电解质，在-70 ℃的超低温下离子电导率仍可达到0.2 mS cm-1。他们使用两种有机聚合物电极与这种电解质构成可充电电池，在-70 ℃的超低温下仍可很好地工作，容量仅比室温容量下降约30%。
夏教授表示，“与传统锂离子电池中含过渡金属的电极材料相比，有机材料来源更丰富、价格更低廉，也更环保。”他们估计这种聚合物电极材料的价格仅为锂离子电池电极价格的约三分之一。
研究点评：
与当前市场上的锂离子电池相比，这种新型电池的比能量仍需大幅度提升。生产过程也需要进一步优化以提高效率和降低成本。尽管这种电池从实验室到商业化还有很长一段路要走，但-70 ℃仍能正常工作的可充电电池的确惊艳，在某些超低温特殊环境和领域有着非常光明的应用前景，相信会引来更多的科研投入。
6. Longest C–C Single Bond among Neutral Hydrocarbons with a Bond Length beyond 1.8 Å
Yusuke Ishigaki*, Takuya Shimajiri, Takashi Takeda, Ryo Katoono, Takanori Suzuki*
Chem, 2018, 4, 795-806
研究介绍：
碳-碳单键是有机化合物中最常见的共价键，大多数有机物中的碳-碳单键键长约在1.54 Å附近，如乙烷分子。如果将乙烷分子中两个碳上的H原子全部替换为大位阻基团，乙烷的碳-碳单键可被拉长。这些分子中碳-碳单键都具有相似的“核壳结构”——碳-碳单键为“核”，大位阻基团为“壳”。这种“壳”不仅能通过位阻排斥拉长碳-碳单键，还能具有保护功能，更重要的是可通过非共价键弱相互作用稳定被拉长的碳-碳单键，防止自身解离。基于这种“核壳策略”，日本北海道大学的Yusuke Ishigaki和Takanori Suzuki等研究者设计合成了一种全新的六芳基乙烷衍生物，创下所有已知中性烃类分子中碳-碳单键键长最长的记录，可达1.806 Å，这一数值几乎是常规烷烃碳-碳单键键长的1.2倍，比某些烷烃的碳-碳单键的键长理论预测值1.803 Å还要大，甚至超过了分子内两个碳原子间的最短非键距离1.80(2) Å。
此前的碳-碳单键键长记录创造者、来自德国吉森大学的Peter Schreiner教授如此评价这类工作的意义，“寻找具有特别长或是特别短的键能够提升我们对现阶段化学键的理解，将化学键推向极限能促使我们不断的提出这样一个问题——在什么情况下键才是一种键？”
研究点评：
这一新的分子真的打破了Schreiner教授此前的记录吗？首先这种新分子并不是烷烃，而且它的碳-碳单键断裂后两个碳原子仍在分子内，而Schreiner教授的分子碳-碳单键断裂后，就真的被“切开”，两个碳原子并不在同一个分子中，这两种情况的碳-碳单键还是有着不小的区别。如果不考虑这些，仅从数值上看，Ishigaki等人还是创造了新纪录。
7. Changes in Time Use and Their Effect on Energy Consumption in the United States
Ashok Sekar*, Eric Williams, Roger Chen
Joule, 2018, 2, 521-536
研究介绍：
美国德州大学奥斯汀分校Ashok Sekar博士等人通过利用美国劳工部每年在美国进行的问卷调查，定量地揭示了现代生活方式的变化对于能源消耗的影响。由于信息技术的飞速发展，美国人平均待在家里的时间正在增加，在2012年比在2003年在家时间增加了7.8天。与之对应，美国人在其它方面花费的时间逐渐减少，比如旅行、去办公室上班或者去商店购物。这一趋势带来了一个意想不到的结果，那就是2012年美国全国能源需求减少了1.8%，约1800万亿千焦。而这些变化的幕后推动力，正是这一时期互联网技术的快速发展。
研究点评：
这项工作为研究新技术如何引起生活方式改变提供了定量的数据，有助于人们把更多的注意力放到改进家庭节能技术上来。虽然这项研究的调查数据基于美国，但其中反映出来的人们特别是年轻人群随着互联网技术的发展而越来越“宅”的趋势，无疑对于电商和网络交易飞速发展的中国社会有很大的借鉴意义。
8. Printable Metal-Polymer Conductors for Highly Stretchable Bio-Devices
Lixue Tang, Shiyu Cheng, Luyao Zhang, Hanbing Mi, Lei Mou, Shuaijian Yang, Zhiwei Huang, Xinghua Shi, Xingyu Jiang*
iScience, 2018, 4, 302-311
研究介绍：
电子器件在生物和医学领域的应用越来越广泛，但传统电子器件多由刚性材料组成，与生命体组织的柔性、可拉伸性有较大性质差异，一些材料还有毒性或刺激性。国家纳米科学中心的蒋兴宇研究员团队报道了一种新型混合可拉伸导电材料——金属-聚合物导体（MPC），由液体金属（共晶镓铟合金EGaIn）和弹性聚合物组成。MPC结构可以看成是聚合物“海洋”中漂浮的圆形液态金属“岛”，各“岛”还通过“海面”下的液态金属层相互连接以保证整体导电性。这一独特的结构保证了MPC同时具备很好的可拉伸性和导电性，结构和性能稳定，生物相容性佳。此外，MPC成本低廉，还可以方便地与其他电子组件相连，从而实现诸如可拉伸电路、运动传感器、可穿戴手套键盘、活细胞电穿孔的生物电极等多种功能。
更重要的是，MPC制备方法简单，适用于多种液体金属和聚合物种类，可制得任意二维形状、不同厚度和电性能的产品，通用性极佳。
研究点评：
这种可拉伸导电材料结合了液体金属和聚合物的性质，通过调整聚合物的种类可实现不同的功能，例如选用超弹性聚合物，可获得适用于可拉伸电路的MPC；选用生物相容性和可生物降解的聚合物可获得适用于可植入器件的MPC；而选用电活性聚合物可获得适用于软体机器人的MPC。
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