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物质的未来_未来50年

时间:2020-02-21 百科知识
物质的未来_未来50年

P.阿特金

Peter Atkins

化学家是物质的魔术师。他们从泥土、空气和海洋“旋出”新的材料,产生也许在宇宙任何其他地方都不存在的物质形式。不过,跟魔术师不同的是,他们的活动是理性的;他们变幻的基础在于他们深入认识了原子如何联结、如何形成新的化合物。他们对物质的认识,给他们带来力量的认识,从18、19世纪的实验中涌现出来,然后在20世纪随着量子力学在化学的应用而成为定量的知识。在21世纪开始的时候,化学家完全把握了物质。

化学在两个方向上“旋转”,转出新的产品,也转出新的课题。过去50年转出的新产品都在我们的身边:使生命更长久,更愉快和使死亡更少痛苦的药物;使日常生活更活泼的纺织品和染料;使结构更轻更强,形态更新更奇妙的取代木材和钢铁的塑料和陶瓷;改变了社会的半导体和将再次改变世界的超导体;满足我们生活意愿的燃料。同时,化学也产生了新的课题,这些课题有着各自独立的名称,但本质还是化学的。材料科学是化学——关于产生有特定力学、电学和磁学性质的新材料的化学;分子生物学也是化学——这个20世纪的非凡产物和21世纪生物学和医学的基础,则是涉及与生命相关的可怕的复杂分子的化学;现代医学,除了砍、切、锯那些手术,也在运用着化学,过去的成功凭一点点运气,但现在越来越多地凭认识。跟物质的性质和转换打交道的任何事物,根本说来都是化学的,不论那物质是死的还是活的。

未来50年里,化学家将增强掌握原子并以新模式结合原子的能力。有三条路可走。一条是苦心经营经典的化学技术,例如各种复杂形式的搅拌、加热和混合——它们从炼丹术涌现出来,在我们的实验室已经达到了很精细的程度。第二条是,跟碳的化合物打交道的有机化学家,已经总结了大量以特定形式结合原子的知识,这些知识无疑还会进入智能系统的领域。第三条是,化学合成策略将更多地通过计算机来设计,计算机能利用神经网络选择最佳的前进路线。当化学家想合成更复杂的结构——不单是蛋白质和核酸,还有为了计算和数据存储的有机材料——计算机辅助的化学将发挥越来越基本的作用。我们将在未来50年看到,计算机设计的合成路线将实现后代计算机所需要的复杂材料。计算机肯定会变小。它们必然会及时地用当时可能的最小材料来做;就是说,它们一定用分子来做,因为比分子更小的东西不具备实现一定结构的复杂形式。所以,化学家将以他们制造不太复杂的分子的技艺来制造分子计算机。

有机化学源于化合物的研究。过去认为那些化合物只能从活的有机体构造出来。这种有机化合物只能天然形成的观点,在化学历史的初期就被推翻了;有机化学的非凡活力就是一个明证。结果,有机化学家看到了从头开始合成生命的希望。为做到这一点,他们需要合成DNA或者相当的分子数据存储系统,把它整个地装进人工受精卵(合子)系统。合子系统在合成膜的保护下,配备着为DNA复制提供能量的新陈代谢合成系统。起初,他们还用合成与天然成分的混合物——注入天然卵的一段人工DNA——不过,一个完整人工系统所需要的大多数组成物质,他们已经能够合成了,在未来50年里,他们将制造出大量可以存活的合成蛋白质。我不指望在50年里能从目前的有机化学一下子产生出真正的生命化学——关于活体生命及其性质的合成的化学。但在那段时间里,我们将看到工作蛋白质产物和很好的近似细胞膜的合成。到21世纪中叶,一个完全的合成生命的零碎都会出现,未来的事情是把它们组织起来。更长远看,没必要老是困在碳上,让硅和锗至少部分进入活体,产生一种全新生命的梦想,也可能成为现实。这些事情的成功,无疑(也理所当然)会引发深远的伦理学问题;不过任何成功的前景都离我们太远,我们暂时还不必为这些问题担心。

尽管有机化学摆脱了有机体是化合物的基本来源的观点,但有些分子还是太复杂了,确实只能由活的有机体产生。化学家将用生命来产生这样的材料,并为它们的产物有效地培育那些生命;所谓的“农业化学”将表现出新的意义。我们正在通过这种方式获取细菌,随着基因工程更加有效,它也会更加重要。当然,我们也没有理由不为更简单的分子(如汽车用的碳水化合物和石化工业的原产品)培育细菌或植物。在未来50年,当我们耗尽了存储的碳水化合物,不得不生产矿物燃料的代用品时,那些应用将变得举足轻重。

除了经典技术和微生物培养,合成的第三个方法将依赖于化学家对单个原子的操纵能力。我们已经可以随意将表面的原子转移到预先选定的位置,将来的分子可以由一个一个的原子构造出来。新生的个别结构可能抵抗不了空气或溶液里经常存在的巨大旋涡。很难想象这些技术能投入生产,但是工业正在变得越来越复杂,所以我们不能排斥这些特制的分子。

特制分子的概念魔幻般展现出一片广阔的纳米工艺和纳米技术的前景。化学无疑将促成小东西的制作,能做出我们现在不得不(实际也是)从大块物质切割下来的小东西。分子工程已经能生产单个分子大小的类似机械零件的东西了,而且这些器械的复杂性还会提高——总有一天,化学家们可以用纳米工艺制造出工程师的所有随身零件,如齿轮、轴承、皮带、夹板等。最早传播纳米技术福音的人认为,化学家能用这些微观零件来构造宏观的机械。例如,一个装着分子制动圆盘的轮子在嵌着分子滚珠的分子轴上旋转。大多数这类想象都假定,原子的性质在很大程度上可以忽略或者任由我们来改造。这样,分子间的力可以减弱,也可以加强,结合的趋势可以忽略,等等。更可能的是,化学家将开发替代宏观机械的分子,它们将考虑而不会忽略组成原子的实际性质。一种诱人的可能是,细菌能通过基因工程“排泄出”整个齿轮、活塞和弹簧,甚至整台机器,排泄物不一定都是有机的,也包含其他成分。

现在,人们对利用碳和氮化硼的纳米管的工艺寄予了很高的希望(但没有多少成功)。为了产生直径为一个原子大小的绝缘线圈,原子弹簧已经融入了碳纳米管——那样的线圈能促进计算机融入极端的纳米结构。我们尽可以期待,专门的计算机能微缩到一粒尘埃,能像浮尘那样喷洒。毕竟,蚂蚁的大脑不比它大多少,却也能表现令人惊奇的特殊行为。

碳纳米管在宏观结构(如吊桥和圆顶)中也可能发挥巨大作用。它们能产生与重量相当的强度。也许难以相信,以纯粹的碳纳米管支撑起来的、外面覆盖纯金刚石片的大地圆顶,有一天能成为保护我们躲避自己的生态罪孽的栖息地;成为让沙漠复苏的乐土;成为火星或行星际空间的根据地。未来的50年,也许正好是碳纳米管成为工业产品的时期。

然而,我们必须承认,未来50年可能不会出现对化学本身的新认识。这门学科已经高度成熟了,似乎不会再出现很多与它的基本原理相关的奇迹。这并不是说化学已经有了可靠的预言能力。20世纪末最大的惊奇之一是发现了富勒烯——外形像足球一样的碳-60分子及其类似的东西[91],包括碳纳米管——尽管它们在预料之中,却没人把那预言当真过。理论化学惯于以量子理论和统计力学的方法来使观测更加合理,却不大擅长预言。于是,我们可以期待更多的惊奇,不过我们也可以相信,所有那些发现都将在我们现有的认识原则以内。(www.tshiny.cn)

这不是说理论研究没有意义或者完全脱离实际。计算机在化学的应用已经很重要了,在未来50年里肯定会更加重要。当它们的知识基础更加强大,当化学家更多地利用神经网络来指导它们,当根据个别分子结构计算的总体性质更加可靠,计算机也将日益成为可以信赖的顾问。当前的主要应用是通过计算分子的性质、评估那些性质的潜力,从而鉴别化合物的药理学行为。原则上讲,这种鉴别可以成年地缩短药物的开发时间。现在全世界都在进行那样的鉴别计算,它(像当前的地外智能探索那样)利用全球的联网计算机的间歇时间扫描可能具有药理学活性的分子。这类计算机应用无疑还会增长,特别是人类基因组计划的最终完成为它提供了大量的数据。

计算机会更多地应用于化学,指导其他化合物的合成,其中也包括催化剂——它能不损自身地刺激特定反应以可观的速率进行。(在中文里,“催化”也有“媒”的意思,很好把握了它的实质。)催化剂是工业的荷尔蒙,离开了它们,化学工业也就不复存在了。多数石化工业的主要研究是发现和开发更高效、便宜、持久和更多选择性的催化剂。只要有化工产品的生产,就离不开催化剂的应用。早期的催化剂,如铁块或铂和铑制成的丝网,显然是非常简单的,但现在的催化剂正变得更复杂。在未来50年,化学家将开发固体催化剂和一系列能溶解在液体中、通过溶液发挥作用的新的均一催化剂。固体催化剂将更多地采用多微孔材料,它们充满了分子大小的迷宫似的孔洞、隧道和网格。多孔材料的好处是具有很大的表面积(它们几乎整体都是表面),对渗透它们的分子的类型和大小有高度的选择性。计算机正更多地用来发现这些材料的功能并重新设计它们。未来50年将涌现出合理设计和应用这些材料的潮流,大量新的廉价材料将从应用它们的工业中产生出来。

我到现在还没说化学活动的也许更传统的方面——通过材料的分析来认识出现的物质。过去50年化学分析的进步几乎完全归功于三个方法的发展:首先是色谱法,它让物质以不同的速度通过细长管道;其次是质量光谱测定法,分子在其中分离,然后通过它们产生的碎片来推测原来的性质。这两个技术都很灵敏而且经常联合运用,当然还需要进一步的改进,以识别数量更小的材料。第三是分光镜的一整套技术,它监测不同类型的电磁辐射(红外线、可见光、紫外线、微波等)的吸收。在这些技术中,现在为止最有用的是核磁共振(NMR),它也是医学上有效应用的磁共振图像技术的基础[92]

事实证明,NMR是化学工具中最具适应能力的。大约50年前,在技术发展的初期,它监测的是一个氢原子核在强磁场中掉转方向时吸收无线电波的情况。自那时起,随着相关的电子学日益复杂,我们能使整个氢原子群和其他类型的原子核群集体掉转方向,NMR技术也跟着成熟起来了。我想强调的是,这项技术在几十年里几乎是有机成长起来的,而且显现了未来50年复杂性的每一个增长的信号。它似乎达到了一个成功的高地,只有加入更多的复杂性才能把它重新激发起来。每多一点复杂性,化学家就能多吸取一点关于样品分子的信息;最近的主要成果是确定了蛋白质在接近自然栖息条件(细胞内部的液体环境)下的结构。那个技术的强大适应能力也许还能帮助我们制造量子计算机。谁能想象——也许在未来的某一天,当量子计算实现的时候,一台NMR光谱仪竟然也开始来思考它正在观测的分子!

化学不仅是关于组成的,也同样是关于结构的。化学家寻求通过分子的形态、大小和原子排列来认识它们的性质。这样,他们能将水的许多性质追溯到水分子是V型的事实;他们寻求通过蛋白质这些重要分子的螺旋、片段、扭曲和转折来认识它们的性质。当然,这里也存在着我们预期将在未来50年解决的理论和实验的问题。

当今吸引众多注意的一个理论问题是这样的:给定氨基酸的序列,它所形成的多肽链(即蛋白质分子的骨架链)在其自然环境下会呈现什么形态?这是分子生物学的一个关键问题,因为蛋白质分子的形态有效决定着它的功能。即使不考虑从组成追溯功能所获得的纯粹而非常有趣的知识,功能的确立也可以认为是人类基因组计划的一个基本组成部分。在这里,我们从DNA所编码的蛋白质出发,通过它们的组成和形态来追踪它们行使的功能,然后认识其中的信息。对这个所谓“蛋白质折叠问题”,一个解决方法是计算,不过需要强大的计算机来分析长长的多肽链可能产生并束缚在其中的扭曲结构。这个问题正在逐渐展开,在未来几十年可能占据大块的化学,吸引众多的化学家。如果多肽链没有为它要发挥的功能选择正确的形态,合成多肽链——那是非常简单的事情——就毫无意义了。

决定形态的实验问题,在很大程度上通过X射线衍射的引进而解决了。那个技术已经100年了。20世纪中叶,它因为确定了DNA和许多重要蛋白质(如溶菌酶、胰岛素和血色素)的结构而达到了今天那么神圣的地位。技术最新的发展在于极高强度的X射线源的应用,有望成为未来几十年发展的基础。那些射线来自同步加速器——一种巨大的环形机器,约束其中的电子以很高的速度做圆周运动,在改变方向时发出X射线。同步加速器是国家级的大型设备,应用在世界各地的很多研究中心;它们产生的高强度X射线能使我们更快、更清晰地获得X射线衍射图样。我们将逐渐能确定溶液中的分子的结构,甚至观察正在发生的反应。

合成、分析和结构,是化学的三个主要组成部分,我们现在都讲过了。最后我们来说化学反应,即一种物质变成另一种物质的实际过程。最近,因为脉冲激光的应用,分光镜技术取得了新的进步,使化学家能检验飞秒(10-15秒,一千万亿分之一秒)尺度的反应事件。在那样的时间尺度,飞行中的原子也几乎没有运动。迄今为止,只有极简单的反应经过那样小时标的检验,但是可以想象,技术的发展使我们能以这种方式去检验实际发生的反应,甚至那些酶催化的反应。这样,我们可以获得反应过程的一帧帧电影画面,注视那些处在邻近瞬间的原子和分子,最后使我们真正深入地认识在我们魔幻技术操纵下的物质是如何形成的。

阿特金(Peter Atkins)

阿特金(Peter Atkins)是牛津大学化学教授和林肯学院会员。他的研究领域是理论化学,特别是磁共振和分子的电磁性质。近年来,他几乎把所有时间都投入了写作,包括教科书:《普通化学》《物理化学》《无机化学》《分子量子力学》《量子》《物理化学概念》;普及读物:《分子》(Molecules)、《第二定律》(The Second Law)、《原子、电子和变化》(Atoms, Electrons, and Change)以及最近的《周期王国》(The Periodic Kingdom)。