2016年化学前沿

可以说，2016年是化学领域令人兴奋的一年。我们还没收拾好去年的圣诞装饰品Iupac就宣布了发现了四种新的化学元素，完成元素周期表第七行。113号、115号、117号和118号元素命名分别是nihonium (Nh)、moscovium (Mc)、tennessine (Ts)和oganesson (Og)，以表彰日本、美国和俄罗斯发现它们的研究机构和团队。

你可以阅读更多它们是如何被发现的，以及Yuri Oganessian在我们的深度专题中对元素周期表未来的看法。

分子机器

另一个令化学家兴奋的时刻是宣布今年的诺贝尔奖让-皮埃尔·索维奇、弗雷泽·斯托达特和本·费林加因他们在分子机器方面的研究获得了该奖。通过将第一批机械联锁分子制造成马达和开关等移动部件，这三人为现在这个新兴领域奠定了基础。今天的研究人员继续在他们的工作基础上发展，去年看到了一些令人兴奋的进展。

大卫利英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究小组开发了一种“机器人”分子可以拾取分子货物，然后在释放之前将其移动到新的位置¹．该机器人由连接在旋转臂上的平台组成，旋转臂在夹持端有硫醇基团。手臂可以被做成与3-mercaptopropanehydrazide并通过改变pH值条件将其从平台的一端摆动到另一端。这种精确的动作在如此微小的规模上是前所未有的，研究小组希望它能推动分子机器人技术的进一步发展。

Leigh的小组还创造了一个它模仿了化学燃料三磷酸腺苷(ATP)为活细胞内的马达蛋白提供动力的方式．这种结构由连环烷组成，其中一个小环通过与化学燃料9-芴甲氧羰基氯相互作用，连续地顺时针绕着一个大环旋转。²

与此同时，研究人员已经成功重现了活细胞的另一个关键成分——核糖体的作用。安德鲁Turberfield英国牛津大学(University of Oxford)的研究小组与瑞秋O ' reilly他在华威大学的研究小组制造了一个发夹状DNA链系统通过与肽构建块结合并自我组装成预先编程的DNA序列来组装肽构建块链．^3.他们说，这样的系统有一天可以帮助驱动和控制分子机器人或工厂。

合成化学家

其他人则专注于一种完全不同的机器，探索计算机如何改变我们做化学的方式。

去年我们学过新软件由Bartosz Grzybowski开发蔚山国立科学技术院这项技术可以帮助研究人员在短时间内计划新的合成方法，而不必在成堆的文献中进行筛选。Chematica绘制了超过1000万种物质以及它们之间的反应。用户可以输入一个“目标”分子，系统将在几秒钟内根据成本、基质可用性和步骤数计算出最佳的潜在“路径”。⁴Syntaurus是该团队的另一款软件，它使用了2万多条化学规则，这些规则已被人工编码，以提出新的合成方法。它的创造者最近用它来绘制一种复杂的天然产物表内酯的全合成图。⁵

与此同时，其他研究小组正在使用机器学习来预测反应的最佳条件。一个由Nishanth Chemmangattuvalappil和诺丁汉大学马来西亚校区的同事们开发了一种计算方法他们既设计了用于碳捕获的碳捕获离子液体，也预测了它们的主要操作温度和压力，合成的容易程度和成本，以及它们的毒性和腐蚀性。⁶

和Ichigaku Takigawa日本北海道大学(Hokkaido University)的研究小组开发了一种新型的一种缩短预测不同金属作为催化剂性能的时间的方法．⁷

斯蒂芬·布奇华而且Klavs詹森来自美国麻省理工学院的科学家们走得更远，他们将机器学习方法与实际化学相结合，创造了一个“机器人化学家”:一个自动流动反应器，可以从错误中学习，根据以前的实验结果优化催化反应的条件。⁸

变革的催化剂

说到催化反应，2016年在这一领域取得了一些进展。

乔治Olah而且叙利娅普拉卡什他在美国南加州大学的团队开发了一种新型的这种催化系统可以直接从地球大气中发现的微量二氧化碳中提取甲醇-向“空气捕获”大气CO迈出了重要的第一步₂．他们的方法是让空气通过含有吸附剂的溶液，这种吸附剂可以捕获CO₂，然后将其与钌催化剂和氢结合在一起，从而形成甲醇。⁹该小组希望，如果这一过程可以扩大规模，就可以直接用空气捕获的二氧化碳生产燃料或其他有用的产品。

另一种新的催化剂允许用放射性氢同位素氚标记药物，以尽量减少放射性废物。与通常用于此目的的铱或铑催化剂不同，由保罗Chirik该公司在美国普林斯顿大学的实验室，以及默克公司的研究人员，在氚的低压下工作。它还使以前无法标记的分子位点成为可能，这可能为测试药物的有效性和安全性提供新的方法。¹⁰

在寻找新的催化剂方面，低技术含量的方法也取得了成功。几个月前我们报道过一个由Remzi bec英国伦敦玛丽女王大学的研究人员使用了一种用一便士硬币代替铜丝来催化聚合．研究人员发现，这种硬币的运行速度实际上比电线快，而且以目前的铜价来看，这种硬币的成本效益要高得多。这一分钱甚至可以事后再花。¹¹

在其他地方，塞尔维亚克拉古耶瓦茨大学的一个小组证明了这一点柠檬汁可以作为金属催化剂的廉价、绿色替代品在生物活性分子的制备中。Nenad Janković同事们利用柠檬汁中的柠檬酸作为溶剂和生物催化剂，用取代的4-氧-2-丁酸乙酯和邻苯二胺或邻氨基苯酚，以极好的收率制备喹草林和苯并恶嗪。¹²

印刷的可能性

在过去的几年里，3D打印已经开始为化学家在从材料设计到组织工程等一系列学科的工作开辟了新的可能性。2016年，这项技术继续向前发展。

安东尼近日，美国北卡罗来纳州维克森林再生医学研究所的研究小组研制出了一种可打印用于医学移植的组织和器官3D打印系统，可以构建大面积的细胞，保持营养和结构完整性．他们的设备打印出一种含有活细胞的柔软、营养丰富的水凝胶，以及一种可生物降解的聚合物“模具”，这种聚合物起初将组织固定在一起，但后来就消失了。打印机还可以在结构中加入微通道，为氧气和营养物质提供空间，供它们进入组织，就像实际器官中的血管系统一样。研究小组表明，他们可以打印出三种不同类型的组织——骨骼、肌肉和由软骨制成的人类大小的耳朵——这些组织在移植到大鼠或小鼠体内几周后继续存活和发育。¹³

另一个3D打印的第一个是由托拜厄斯Schaedler以及美国HRL实验室的同事，他们能够打印陶瓷结构．因为它们很脆，陶瓷材料通常必须在非常高的温度下通过烧结-熔合粉末颗粒来制造。为了解决这个问题，Schaedler的团队用预陶瓷聚合物打印出了微晶格，这些聚合物在加热时会热解成陶瓷。由于聚合物可以作为高纯度液体沉积，这种晶格比传统工艺制造的陶瓷缺陷更少，使它们更加坚固。潜在的应用范围从微机电系统到喷气发动机。¹⁴

与此同时，美国迈阿密大学的一个研究小组由亚当·布伦瑞克为这项技术增加了一个新的维度，并开发了一个他们称之为的过程4 d印刷，以控制印刷聚合物图案的化学成分及其三维位置(连续波6月,p26)。¹⁵他们的系统可以在玻璃表面紧密地打印不同的刷状聚合物图案，通过连接到微流体单元的打印尖端阵列，在亚微米分辨率下独立控制它们的位置。可以将不同的单体引入细胞以改变聚合物的化学成分。该团队表示，这种方法使他们更接近能够复制生物材料中所见的结构和化学复杂性。

当阳光普照

2016年，太阳能技术也获得了不少新进展。

钙钛矿太阳能电池目前是热门项目。去年年中，瑞士队由Michael Gratzel来自瑞士洛桑联邦理工学院打破了自己的效率记录1厘米²钙钛矿太阳能电池，通过改进制造工艺，实现了19.6%的认证效率。¹⁶

但是钙钛矿技术仍然受到稳定性问题的困扰——仅仅因为许多电池暴露在空气或阳光下降解得太快，所以仍然很少有经过验证的效率测量方法。还有一项新研究罗伯特•帕尔格雷夫和他在英国伦敦大学学院的团队对找到新的钙钛矿来制造避免这一问题的太阳能材料的机会表示怀疑。该小组表明一些用于预测未发现钙钛矿稳定性的计算是有缺陷的，并可能产生的结果只会导致失望，当进一步尝试合成。¹⁷然而，其他团体仍然没有被吓倒，寻找新的太阳能材料的工作仍在继续。

当谈到其他太阳能电池技术时，研究人员一直在努力改进。汤群伟和他的同事在中国海洋大学发达“全天候”太阳能电池既能利用阳光又能利用降雨发电——这对英国等多雨国家来说是一个特别有吸引力的前景。染料敏化太阳能电池(DSSC)利用含盐雨滴中的离子电荷来产生电流。¹⁸同一组还做了一个圆柱形DSSC无论太阳的角度如何，都能产生稳定的电力输出。¹⁹

还有弗拉迪米尔·布洛维奇，安妮·王和乔尔·珍麻省理工学院公布了有史以来最轻的太阳能电池-薄到可以放在肥皂泡的表面。^20.该电池厚度为1.3微米，重量仅为3.6克/米²该产品采用气相沉积技术，一次性制造支撑衬底、保护层和有机吸光组件，而不是单独制造每一层，然后再组装。该小组认为类似的方法可以用于其他材料，甚至可能是那些棘手的钙钛矿。

就在这个阳光的音符下，我们结束了去年的研究新闻。我们迫不及待地想看看2017年会带来什么。