什么是化学？

是元素周期表？是复杂的化学方程式？还是实验室里的瓶瓶罐罐……在实际生活中，化学几乎覆盖了我们目之所及的方方面面。

在航空航天领域，运用化学手段研制的耐火、耐高温、耐氧化的新型复合材料，保障了高速飞机、航天器、火箭等的正常运行；

在环境保护领域，一系列绿色化学技术从源头上消除或减少了工业生产对环境造成的污染；

在医药卫生领域，药品试剂的研发、医学影像的显示，均是化学的应用；近些年来，药界巨头在各类药物、疫苗以及快速检测试剂研发上的投入，都依托于化学赛道的角逐；

在电子信息领域，困扰国人良久的“缺芯少魂”问题，在华为创始人任正非看来也离不开化学问题的解决；

随着现代社会的分工愈发明确，化学也正在结合其他先进和新兴的科学知识不断向前发展。例如当下炙手可热的纳米技术、生物医学工程、新能源储能等，为更多的化学人才提供了大展拳脚的好机会。

操纵分子的更多方法正在给我们带来进步，包括从空气中吸收温室气体，到发明可无限次回收的塑料，甚至制造生命。下面我们来看看那些或许可以改变未来世界的化学：

1、制造仿生叶子

人类的活动离不开能源，但燃烧化石燃料会释放出温室气体，使气候变暖。这足以让我们羡慕植物，它们的光合作用使用太阳能，而且还消耗二氧化碳。如果我们能够大规模地模仿这种技巧就好了。

不幸的是，光合作用很难模仿。它涉及许多过程，包括捕捉太阳光，分解水以产生氢，并将氢与来自空气中的二氧化碳结合，最终生产出碳水化合物。在自然界，这些工作是由经过数亿年进化的酶来完成的;即便这样，光合作用的效率仍然不到1%。

10年前，美国哈佛大学的化学家丹尼尔·诺切拉向前迈出了一大步，他开发了一种基于镍和钴的催化剂，可以在太阳光下将水分解。然而，这只实现了光合作用的一小步，此后一直没有进展。

后来人们意识到，与其从头到尾模仿光合作用，不如去制造仿生叶。这种叶子通常由能有效吸收太阳光的材料制成，里面含有擅长将燃料分子结合在一起的酶蛋白。英国剑桥大学的一个团队最近使用一种叫做钙钛矿的材料来收集太阳光，并将其与甲酸脱氢酶结合。这样的仿生叶能生产甲酸盐(一种可用于燃料电池的化学物质)，其效率几乎与自然界的光合作用效率相当。

诺切拉也采用了类似的方法。2016年，他发明了一个装置，其中用催化剂在太阳光下把水分解成氢离子和电子，并将这些氢离子和电子输送给生物工程菌;再由生物工程菌将空气中的二氧化碳转化为生物质燃料，其效率几乎达到11%——比自然界的光合作用效率高了10多倍。

2、仿生叶子

这个挑战在技术上或多或少已经解决了，当前的问题是，大家都缺少意愿付诸实践。对于发达国家来说，使用任何生物质燃料都要产生碳排放，不够环保;对于发展中国家来说，这样制造出的生物质燃料成本高，不如直接使用化石燃料。

3、建造分子机器

在历史上，把像活塞和齿轮这样的简单机械结合起来，制造出的可代替人力的机器(如蒸汽机)，引发了工业革命。当今，化学家正在研制的以原子为部件的分子机器，同样具有革命性。

简单的分子机器已经在20年前就研制出来了，包括可以沿轴移动的分子轮子。这项工作的三位先驱还获得了2016年的诺贝尔奖。

更多的分子机器正在制造和测试中。譬如，几年前美国莱斯大学的科学家发明了一种可以在细胞膜上开孔，让药物输进细胞的分子机器。

4、分子机器

分子机器的潜力是巨大的，毕竟生物体上的很多细胞器本身就可以视作分子机器。例如，核糖体就可视为组装蛋白质的分子机器，它将氨基酸分子组装成各种蛋白。

2021年，英国曼彻斯特大学的科学家研制出一种人工版的核糖体。它的主体是一个环形分子，有一条“臂”，当它在轨道上移动时，能拾取所遇的碎片并将它们连接起来。目前，它能制造含10个氨基酸的多肽链(由多个氨基酸连接而成的链)。

就目前而言，人工版的核糖体还无法超越自然界的核糖体，但其潜力是惊人的。要知道，自然界只存在大约20种氨基酸，自然界的核糖体只能用这20种氨基酸来组装蛋白，人工版的核糖体则不受这个限制，可以组装任何自然界不存在的氨基酸或其他分子。所以，这种分子机器将来能为我们制造出很多连大自然也自叹不如的新型材料。

5、吸取空气中的甲烷

我们通常将全球气候变暖归咎于二氧化碳，但还有另一种温室气体：甲烷。虽然排放到大气中的甲烷比二氧化碳少得多，但甲烷的温室效应比同体积的二氧化碳要强20多倍。此外，甲烷还会与工厂、汽车排放的废气反应，生成有毒气体。

清除空气中的甲烷，将有助于阻止气温上升。据估计，从大气中清除每10亿吨甲烷，地表温度就会降低大约0.2℃。

从空气中捕获二氧化碳的技术已经存在多年了，但捕获甲烷却不容易，因为二氧化碳易溶于水，而甲烷几乎不溶于水。

虽然空气中的甲烷是不稳定的，迟早会转化为二氧化碳，但人们还是想方设法减少甲烷的排放。一个解决方案是不去捕获甲烷，而是通过化学方法将其转化为二氧化碳，毕竟二氧化碳的温室效应要比甲烷的小得多。目前美国大多数州已经在使用这个想法来解决垃圾填埋场中的甲烷泄漏问题。他们使用微生物，将甲烷转化为二氧化碳。

另外，还可以采用沸石。沸石中充满极细的小孔，可以吸收甲烷，然后通过催化反应，将其转化为甲醇。这项技术虽然目前还不成熟，但有很大的前景。

6、寻找锂电池的替代品

要我们停止燃烧化石燃料，关键是能从风力和太阳能之类的可再生能源中获得电力。但是，这些能源都受限于自然条件，无法在任何时候都为我们提供电力。这就需要电池来储存电力。

现在用得最多的是锂电池，但地球上锂资源有限。为此，化学家想另辟蹊径。

我们知道，锂在电池中的作用是将电荷从一个电极带到另一个电极。锂离子非常小，这意味着锂电池能做到既容量高，又小而轻。但也有其他竞争者可扮演电荷携带者的角色。一个是钠，它具有与锂相同的+1电荷，只是体积稍大。钠在海水中几乎取之不尽，而且很容易获得。钠电池要想达到与锂电池同样的容量，必须做得更大，这当然是一个缺点，但可以在不需要便携的条件下应用，如储存太阳能产生的电力。

另外，在锂电池中，电极是用钴做的。这是电池的关键部件。但钴在地球上的资源也很有限，所以我们需要设计不使用钴的新电池。这涉及到尝试大量的材料组合，以便找到高容量的替代品。这是一个非常耗时的过程。英国谢菲尔德大学的科学家一直在试验一种在微波炉中制作电极的方法，这个过程只需20分钟，比通常的方法要快得多。我们相信，这种替代品有可能不久就可以面市。

7、制造可无限次回收的塑料

塑料是聚合物，是由强大的化学键连接而成的分子长链。撕开这些化学键，将其复原到小分子，往往是一个棘手的化学问题。这就是为什么它们难以降解或回收的原因。

在处理塑料方面，我们已经有一个小小的成功。通常被用来制造塑料瓶的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，我们可以简单地将其切碎并重新塑造成新的瓶子。这个过程甚至都不需要化学。

但对于大多数塑料来说，处理起来就是个难题了。以聚氯乙烯(PVC)为例，没有已知的方法来回收它，即使将它高温分解，最终得到的也是一种叫氯乙烯的有毒化合物。

在塑料回收的工作中，化学家的一项任务是设计新的反应，将塑料分解成可以重新使用的分子。美国加州大学的科学家最近在回收聚烯烃类塑料方面取得了成功。他们开发了一种技术，使用催化剂将这些塑料分解成更小的分子，这些较小的分子可做为洗涤剂或油漆的原料。

我们还需要设计更容易降解或回收的塑料。一个例子是美国加州大学的科学家发明的一种塑料。他们在塑料中添加了微小的含酶胶囊。当塑料的使用寿命到期时，只需要将它在温水中浸泡一周。酶就会被释放出，将塑料分解成小分子。

8、化学合成自动化

也许现代化学中最单调的工作是化学合成。这是一种将简单分子拼接在一起以制造一些复杂分子的工艺。许多药物就是通过这种办法研制出来的。合成化学家往往要在实验室里成年累月地进行混合、搅拌和提纯，然后还要测试大量新分子的特性。

然而，他们开始考虑，这些工作可交给机器人来完成。为此，英国利物浦大学的科学家已经建造了一个机器人化学家，用它来制造可作为催化剂的分子，然后还能自动测试每个潜在催化剂的性能。

科技巨头IBM也在进行自动化的实验。它用包含300万个化学反应的数据库来训练机器人。

一个更雄心勃勃的计划是，把化学自动化到任何人都可以做的程度。譬如，输入化学配方，就能以手头常见的化学物质为起点，制造出复杂的分子来。这在太空旅行或者殖民外星球的时候可以提供极大的方便。

9、制造人工生命

地球是如何从一个荒芜一毛的岩石质星球变成一个郁郁葱葱的生物世界的?

20世纪50年代，美国化学家斯坦利·米勒将一些无机物混和，放在一个密封的罐子里，模拟早期地球的环境条件，制造出了氨基酸分子。这表明，像氨基酸这种构成生命的关键成分，是可以自发形成的。这虽是一个很大的进步，但仍然没有告诉我们能自我复制的简单生命是如何形成的。

10、机器人化学家有助于加快化学合成

这就是为什么化学家对“如何通过化学反应将无生命的化学物质变成最简单的生命”感兴趣的原因。这有数十亿种发生方式。因此，英国格拉斯哥大学的李·克罗宁正在采用机器人来帮助调查。他和他的团队将一些简单的物质(如酸、无机矿物和含碳的无机物)放一起，进行随机反应，然后由一个算法帮助机器人对结果进行分析。通过这种方式，机器人可以在海量的结果中寻找，看看是否有任何能自我复制的生命出现。

在地球上重现生命的起源，可以帮助我们更好地识别其他星球上的生命迹象。

现代社会的自然科学发展日新月异、学科交叉研究方兴未艾，作为诸多学科基础的化学，势必成为各路兵家“必争之地”。