7.如何捕获更多太阳能？

　　每当太阳从东方升起，似乎都在提醒人类，对于太阳这个巨大无比的清洁能源来源，我们目前开发利用得实在太少太少。经济问题是最大的障碍：用来获取太阳能的传统光伏电池板（photovoltaic panel）的高额成本限制了它的使用。但是，在地球上，几乎所有的生命最终都由太阳的能量驱动，而能量来自光合作用（photosynthesis）。这恰恰说明了，太阳能电池并非需要极高的转换效率，它们只须像树叶那样，通过廉价的方法提供充足的能量。

　　美国亚利桑那州立大学的德文斯·加斯特（Devens Gust）说：“太阳能研究的一个最值得期待的方向就是，通过阳光来制造燃料。”利用太阳能来制造燃料的最简单方法就是分解水，产生氢气和氧气。美国加州理工学院的内森·S·刘易斯（Nathan S. Lewis）和同事发明的一种人造树叶（参见对页框图）就能实现上述想法，他们的工具是硅纳米线阵列（参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶：阳光变燃料》一文）。

　　今年年初，美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉（Daniel Nocera）和合作者展示了一种硅基薄膜，在这种薄膜中，一种以钴（cobalt）为主要成分的光催化剂（photocatalys）能促进水分子分解。据诺切拉估算，1加仑（约3.8升）水分解，提供的能量就能够满足一个发展中国家家庭一天的用量。诺切拉说：“我们的目标是让每个家庭都拥有自己的电站。”

　　通过催化剂来分解水仍然非常困难。“像诺切拉使用的钴催化剂，还有一些新近发现的基于其他常见金属的催化剂，都是值得期待的，”加斯特说，但目前还没有人能够将它们的制作成本降低到理想范围。

　　“我们尚不知道自然界中的光合作用催化剂如何工作，这种催化剂基于4个锰（manganese）原子和一个钙（calcium）原子，”加斯特补充说道。

　　加斯特和同事已经开始着手通过分子器件来实现人造光合作用，这种方式更加接近于自然界中生物的光合作用。经过艰苦努力，他的研究小组已经合成出一些可用于最终分子器件的基本结构单元。但是，在他们面前还有大量的挑战。有机分子，例如自然界用到的那些，很快就会分解或破坏。然而，植物会不断的生产出新的蛋白质来替代那些被破坏的，但至少目前，人造树叶还无法完全模拟一个活细胞进行光合作用的方式及其中的化学机制。

8.制造生物燃料的最佳途径是什么？

　　除了通过直接采集太阳光的方法来制造燃料，我们还有别的途径利用太阳能吗？先让植物把太阳能储存起来，然后我们再将植物变为燃料，这个主意怎么样？生物燃料（biofuel），例如用谷物制得的乙醇，或者由各种种子制成的生物柴油（biodiesel），都已经在能源市场上占得一席之地。但是它们也威胁着粮食供应，尤其是在发展中国家，由于出口生物燃料比出售粮食给本国居民更加赚钱，这有可能加剧粮食危机。现实也让人气馁：要想通过生物燃料来满足现在的原油需求，我们必须征用巨量的耕地。

　　因而，将粮食转变为能源，也许并不是最好的办法。一个解决方案就是，利用其他并非那么重要的生物质（biomass）来获取能源。如果用美国每年产生的农业及木料类残渣来制取生物燃料，足够满足一个第三世界国家在交通方面对汽油和柴油的需求。

　　将这些低等级的生物质转化为燃料，需要打破坚硬的植物分子，例如木质素（lignin）、纤维素（cellulose），两者都是植物细胞壁的主要成分。化学家已经知道如何做到这些，但现在的方法成本过高，效率低下，因而从经济上讲，还不适合通过这种方法来大量生产生物燃料。

　　打破木质素需要面对的调整之一，就是打断它分子结构中氧原子与苯环上碳原子的连接。美国伊利诺伊大学的约翰·哈特维格（John Hartwig）与阿列克塞·塞尔吉福（Alexey Sergeev）最近就完成了这项挑战。他们发现，一种基于镍元素的催化剂能够做到这一步。哈特维格指出，即使生物质和别的燃料一样，可以提供非化石燃料的化学原料，但化学家们依然需要从中提取出芳香族化合物（aromatic compounds，即分子结构以苯环为主题的结构）。而木质素就是生物质中潜在的最主要芳香族化合物来源。

　　更实际地，这些生物质的转换将越来越多地以最结实的生物质为原料，并将它们转化为液态燃料，这样才能方便快捷地通过管道运输。而液化过程将在作物收割的现场完成。

　　催化转化需要原材料极度纯净，这是横亘在化学家面前的一大难题。他们在进行经典的化学合成的时候，很少用到像木材这类非常“肮脏”的材料。“科学界还没有就所有这些方法的使用达成一致，”哈特维格说。但有一点可以确定，现在有非常多依赖于化学方法的解决方案，尤其是那些找到了合适的催化剂的方法。哈特维格指出：“在几乎所有大规模工业化的化学反应中，都能找到催化剂的踪影。”

9.我们能研制出全新类型的药物吗？

　　化学的核心就是实用与创新：制造出各种分子，这样我们就能够开发出新材料来构建万事万物，或者研制出新型抗生素，战胜不断出现、不断变强的耐药菌。

　　20世纪90年代，化学家曾对“组合化学”寄予厚望：利用一些基本构建单元，随机组装出成千上万的新分子，然后再筛选出需要的分子。这种方法一度被认为是药物化学的未来，如今它的光环却已渐渐消退。

　　但是，如果化学家能合成足够多的分子类型，然后找到理想的方法，从中筛选出需要的那几种，组合化学就有可能迎来第二春。生物技术或许能提供帮助——例如，每一种分子都能够连接到一段DNA“条形码”上，这样既能识别有用的分子，又能把它们从大量分子中提取出来。或者，科学家还可以按照达尔文进化论的思想，在实验室中逐步改造候选分子库。他们就可以用DNA编码潜在的蛋白质药物分子，然后通过“易错”复制，制造出成功药物的变异体，从而在每一轮的复制和选择中，寻找效果得到改善的药物分子。

　　还有就是借用自然规则，按指定方式来连接分子片段。以蛋白质为例，它具有严格的氨基酸序列，因为这是由编码这种蛋白质的基因所决定的。利用这种模式，化学家也许可以通过编程的方式，让化学分子自组装。这种方法的优点在于它是“绿色”的，因为它减少了我们不需要的副产物，相关的能量和材料浪费也更少。

　　哈佛大学的戴维·刘（David R. Liu）教授和合作者正在沿着这条道路前进。他们在分子模块上连接短链DNA，而这些DNA可以编码连接分子模块的结构。他们还制备了一种能沿着短链DNA运动的分子，这些分子可读取DNA上的编码信息，把一些小分子连接到分子模块上，从而制造出连接结构——类似于细胞中蛋白质的合成过程。戴维·刘的新方法为新药开发提供了一条捷径。“许多生物学家都相信，在未来的医疗领域，大分子（macromolecule）即使不能占据主导地位，它也将扮演越来越重要的角色，”戴维·刘说。

10.我们能实时监测自身的化学变化吗？

　　随着科学的进步，化学家们不再满足于仅仅构建分子，他们还希望与分子进行交流：即在活细胞与传统计算机之间搭起一座桥梁，并通过光纤来传递这些信息。

　　从一定程度上说，这并非什么全新的概念：早在上世纪60年代，研究者就开始使用生物传感器（化学反应会在传感器中进行）来监测人体血液中的葡萄糖浓度。可以用到化学传感器的场合可谓多之又多——例如，检测食物和水中含量非常低的有害物质，或者监测空气污染物，以及各种气体在大气中的含量。反应更快速、成本更低廉、敏感度更高以及分布更广泛的化学传感技术将在上面所有这些应用领域发挥越来越大的作用。

　　在生物医药领域，各式各样的新型化学传感器也拥有最引人注目的潜力。例如，早在癌症病变发展到能被普通的临床手段检出之前很久，一些癌细胞基因的产物就已经进入血液循环了。如果能检测到这些早期的化学变化，将有助于医生及时且准确地做出诊断。快速基因组检测技术将使得医生可以根据每个人的自身状况开出调理药方（即个性化医疗），如此一来就可以降低滥用药物带来的副作用，并让如今使用受限的一些药物派上大用场（这些药物因会对少数人带来危害而被禁用或限制使用）。

　　一些化学家预见，在未来，传感器能够连续不断、静悄悄地监视着与人的健康、疾病有关的各种生物化学反应。这或许能够为手术中的外科医生或者输送治疗药物的自动化系统提供实时数据和信息。这些未来的应用都依赖于化学技术的进步，而这些化学技术能够选择性地感知特定物质和化学信号，甚至在监测对象的浓度处于非常微小的数量级时也能办到。

撰文：菲利普·波尔（Philip Ball）翻译：朱姝