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7.如何捕獲更多太陽能？

　　每當太陽從東方升起，似乎都在提醒人類，對于太陽這個巨大無比的清潔能源來源，我們目前開發利用得實在太少太少。經濟問題是最大的障礙：用來獲取太陽能的傳統光伏電池板（photovoltaic panel）的高額成本限制了它的使用。但是，在地球上，幾乎所有的生命最終都由太陽的能量驅動，而能量來自光合作用（photosynthesis）。這恰恰說明了，太陽能電池并非需要極高的轉換效率，它們只須像樹葉那樣，通過廉價的方法提供充足的能量。

　　美國亞利桑那州立大學的德文斯·加斯特（Devens Gust）說：“太陽能研究的一個最值得期待的方向就是，通過陽光來制造燃料。”利用太陽能來制造燃料的最簡單方法就是分解水，產生氫氣和氧氣。美國加州理工學院的內森·S·劉易斯（Nathan S. Lewis）和同事發明的一種人造樹葉（參見對頁框圖）就能實現上述想法，他們的工具是硅納米線陣列（參見《環球科學》2010年第11期《人造樹葉：陽光變燃料》一文）。

　　今年年初，美國麻省理工學院的丹尼爾·諾切拉（Daniel Nocera）和合作者展示了一種硅基薄膜，在這種薄膜中，一種以鈷（cobalt）為主要成分的光催化劑（photocatalys）能促進水分子分解。據諾切拉估算，1加侖（約3.8升）水分解，提供的能量就能夠滿足一個發展中國家家庭一天的用量。諾切拉說：“我們的目標是讓每個家庭都擁有自己的電站。”

　　通過催化劑來分解水仍然非常困難。“像諾切拉使用的鈷催化劑，還有一些新近發現的基于其他常見金屬的催化劑，都是值得期待的，”加斯特說，但目前還沒有人能夠將它們的制作成本降低到理想范圍。

　　“我們尚不知道自然界中的光合作用催化劑如何工作，這種催化劑基于4個錳（manganese）原子和一個鈣（calcium）原子，”加斯特補充說道。

　　加斯特和同事已經開始著手通過分子器件來實現人造光合作用，這種方式更加接近于自然界中生物的光合作用。經過艱苦努力，他的研究小組已經合成出一些可用于最終分子器件的基本結構單元。但是，在他們面前還有大量的挑戰。有機分子，例如自然界用到的那些，很快就會分解或破壞。然而，植物會不斷的生產出新的蛋白質來替代那些被破壞的，但至少目前，人造樹葉還無法完全模擬一個活細胞進行光合作用的方式及其中的化學機制。

8.制造生物燃料的最佳途徑是什么？

　　除了通過直接采集太陽光的方法來制造燃料，我們還有別的途徑利用太陽能嗎？先讓植物把太陽能儲存起來，然后我們再將植物變為燃料，這個主意怎么樣？生物燃料（biofuel），例如用谷物制得的乙醇，或者由各種種子制成的生物柴油（biodiesel），都已經在能源市場上占得一席之地。但是它們也威脅著糧食供應，尤其是在發展中國家，由于出口生物燃料比出售糧食給本國居民更加賺錢，這有可能加劇糧食危機。現實也讓人氣餒：要想通過生物燃料來滿足現在的原油需求，我們必須征用巨量的耕地。

　　因而，將糧食轉變為能源，也許并不是最好的辦法。一個解決方案就是，利用其他并非那么重要的生物質（biomass）來獲取能源。如果用美國每年產生的農業及木料類殘渣來制取生物燃料，足夠滿足一個第三世界國家在交通方面對汽油和柴油的需求。

　　將這些低等級的生物質轉化為燃料，需要打破堅硬的植物分子，例如木質素（lignin）、纖維素（cellulose），兩者都是植物細胞壁的主要成分。化學家已經知道如何做到這些，但現在的方法成本過高，效率低下，因而從經濟上講，還不適合通過這種方法來大量生產生物燃料。

　　打破木質素需要面對的調整之一，就是打斷它分子結構中氧原子與苯環上碳原子的連接。美國伊利諾伊大學的約翰·哈特維格（John Hartwig）與阿列克塞·塞爾吉福（Alexey Sergeev）最近就完成了這項挑戰。他們發現，一種基于鎳元素的催化劑能夠做到這一步。哈特維格指出，即使生物質和別的燃料一樣，可以提供非化石燃料的化學原料，但化學家們依然需要從中提取出芳香族化合物（aromatic compounds，即分子結構以苯環為主題的結構）。而木質素就是生物質中潛在的最主要芳香族化合物來源。

　　更實際地，這些生物質的轉換將越來越多地以最結實的生物質為原料，并將它們轉化為液態燃料，這樣才能方便快捷地通過管道運輸。而液化過程將在作物收割的現場完成。

　　催化轉化需要原材料極度純凈，這是橫亙在化學家面前的一大難題。他們在進行經典的化學合成的時候，很少用到像木材這類非常“骯臟”的材料。“科學界還沒有就所有這些方法的使用達成一致，”哈特維格說。但有一點可以確定，現在有非常多依賴于化學方法的解決方案，尤其是那些找到了合適的催化劑的方法。哈特維格指出：“在幾乎所有大規模工業化的化學反應中，都能找到催化劑的蹤影。”

9.我們能研制出全新類型的藥物嗎？

　　化學的核心就是實用與創新：制造出各種分子，這樣我們就能夠開發出新材料來構建萬事萬物，或者研制出新型抗生素，戰勝不斷出現、不斷變強的耐藥菌。

　　20世紀90年代，化學家曾對“組合化學”寄予厚望：利用一些基本構建單元，隨機組裝出成千上萬的新分子，然后再篩選出需要的分子。這種方法一度被認為是藥物化學的未來，如今它的光環卻已漸漸消退。

　　但是，如果化學家能合成足夠多的分子類型，然后找到理想的方法，從中篩選出需要的那幾種，組合化學就有可能迎來第二春。生物技術或許能提供幫助——例如，每一種分子都能夠連接到一段DNA“條形碼”上，這樣既能識別有用的分子，又能把它們從大量分子中提取出來。或者，科學家還可以按照達爾文進化論的思想，在實驗室中逐步改造候選分子庫。他們就可以用DNA編碼潛在的蛋白質藥物分子，然后通過“易錯”復制，制造出成功藥物的變異體，從而在每一輪的復制和選擇中，尋找效果得到改善的藥物分子。

　　還有就是借用自然規則，按指定方式來連接分子片段。以蛋白質為例，它具有嚴格的氨基酸序列，因為這是由編碼這種蛋白質的基因所決定的。利用這種模式，化學家也許可以通過編程的方式，讓化學分子自組裝。這種方法的優點在于它是“綠色”的，因為它減少了我們不需要的副產物，相關的能量和材料浪費也更少。

　　哈佛大學的戴維·劉（David R. Liu）教授和合作者正在沿著這條道路前進。他們在分子模塊上連接短鏈DNA，而這些DNA可以編碼連接分子模塊的結構。他們還制備了一種能沿著短鏈DNA運動的分子，這些分子可讀取DNA上的編碼信息，把一些小分子連接到分子模塊上，從而制造出連接結構——類似于細胞中蛋白質的合成過程。戴維·劉的新方法為新藥開發提供了一條捷徑。“許多生物學家都相信，在未來的醫療領域，大分子（macromolecule）即使不能占據主導地位，它也將扮演越來越重要的角色，”戴維·劉說。

10.我們能實時監測自身的化學變化嗎？

　　隨著科學的進步，化學家們不再滿足于僅僅構建分子，他們還希望與分子進行交流：即在活細胞與傳統計算機之間搭起一座橋梁，并通過光纖來傳遞這些信息。

　　從一定程度上說，這并非什么全新的概念：早在上世紀60年代，研究者就開始使用生物傳感器（化學反應會在傳感器中進行）來監測人體血液中的葡萄糖濃度。可以用到化學傳感器的場合可謂多之又多——例如，檢測食物和水中含量非常低的有害物質，或者監測空氣污染物，以及各種氣體在大氣中的含量。反應更快速、成本更低廉、敏感度更高以及分布更廣泛的化學傳感技術將在上面所有這些應用領域發揮越來越大的作用。

　　在生物醫藥領域，各式各樣的新型化學傳感器也擁有最引人注目的潛力。例如，早在癌癥病變發展到能被普通的臨床手段檢出之前很久，一些癌細胞基因的產物就已經進入血液循環了。如果能檢測到這些早期的化學變化，將有助于醫生及時且準確地做出診斷。快速基因組檢測技術將使得醫生可以根據每個人的自身狀況開出調理藥方（即個性化醫療），如此一來就可以降低濫用藥物帶來的副作用，并讓如今使用受限的一些藥物派上大用場（這些藥物因會對少數人帶來危害而被禁用或限制使用）。

　　一些化學家預見，在未來，傳感器能夠連續不斷、靜悄悄地監視著與人的健康、疾病有關的各種生物化學反應。這或許能夠為手術中的外科醫生或者輸送治療藥物的自動化系統提供實時數據和信息。這些未來的應用都依賴于化學技術的進步，而這些化學技術能夠選擇性地感知特定物質和化學信號，甚至在監測對象的濃度處于非常微小的數量級時也能辦到。

撰文：菲利普·波爾（Philip Ball）翻譯：朱姝