NGC 7027。
這是揭開早期宇宙化學謎團的
行星狀星雲的編號。在門捷列夫提出元素週期表150週年之際，科學家揭開了一個長久以來與元素“開端”有關的謎團——分子是如何形成的。
科學家認為，在大爆炸後約10萬年，中性氦原子與質子開始反應，形成宇宙中的第一批分子：HeH⁺（氦合氫離子）。這是宇宙演化的第一步。到了1970年代末，理論學家預測出，這類分子很有可能在行星狀星雲中形成，因為在那裡有著與早期宇宙相似的物理條件。但40多年來，科學家並沒有發現任何證據，這使得相關理論也受到了質疑。
經過不懈努力，並藉助技術進步，科學家終於證實了這個理論，為數十年的探索畫上了圓滿的句號。儘管這看起來像是一項天文學研究，但它實則揭開了化學的本源問題，也是化學與其他學科交叉融合的例子。
下面，我們將通過一些數字，來呈現2019年化學不同領域的部分代表性研究。或許今後我們能越來越多地看到化學與各種學科的交叉融合，在科學的圖譜上展開更精彩的篇章。
1.8×10²²：氙-124的半衰期（單位：年），有史以來最長的直接測量值
○ 根據能量守恆定律，氙-124無法通過電子俘獲衰變。然而，它可以通過雙中微子雙電子俘獲，以極長的半衰期衰變為一個碲-124原子。
科學時常帶來意外的驚喜。
在意大利格蘭薩索山脈大約1500米深的地方是地下實驗室LNGS，這裡的科學家在一個封閉的實驗室裡尋找暗物質粒子。他們的工具是XENON1T探測器，其中心部分包含著一個長約一米的圓柱形罐，裡面填充著超過3200千克的液態氙，這些液態氙被冷卻到了零下95攝氏度。
雖然到目前為止，這種探測器還沒有觀察到任何暗物質粒子，但研究人員首次觀測到了氙-124原子的衰變。測量到的半衰期是宇宙年齡（約140億年）的一萬多億倍[2]。這是人類迄今探測到的最緩慢的過程。這次的成功為那些旨在探測其他原子核中的罕見衰變的實驗奠定了基礎。
90000：如果只通過瓶裝水滿足日常用水需求，每人每年將額外攝入的微型塑料片的數量
○ 圖片來源：Ivy Main under CC BY-SA
在生態系統中，微塑料無處不在，但它對人類的影響程度尚不清楚。
2019年，一項研究以美國飲食為重點，評估了日常食品中的塑料微粒數量與其建議的每日攝入量之間的關係，並探討了飲用水的來源如何影響微塑料的攝入。據估計，我們每年攝入的微塑料約39000到52000個顆粒（具體取決於年齡和性別），如果加上吸入的顆粒，這個數字可能會增加到74000到121000。此外，如果我們僅通過瓶裝水滿足個人用水需求，每人每年可能會額外攝入90000個微塑料顆粒。研究人員還表示，由於方法和數據的限制，這些值可能被低估。
事實上，研究人員尚不清楚微塑料對健康的具體影響。一些初步研究表明它們可能會對免疫系統或腸道平衡造成影響，同時毒性或許也有可能在體內累積。但在我們弄清楚之前，我們可能已經在不知不覺中吞下了不少塑料。[3]
>14,000：製作第一臺能運行簡單程序的納米管計算機微處理器所需的碳納米管數量
○ 圖片來源：Max Shulaker/MIT
經過多年的嘗試和挑戰，MIT研究人員用碳納米管 （CNT）晶體管構建了一個微處理器，人們普遍認為碳納米管晶體管是一種比傳統硅晶體管更快、更環保的替代品。這個微處理器可以使用傳統的硅芯片製造工藝進行製造，是朝著使碳納米管微處理器更實用化邁出的重要一步。
製造碳納米管場效應晶體管（CNT-FET）已成為下一代計算機的主要目標。主要目標是把芯片投入現實世界。為此，研究人員現在已經開始通過其他項目，將他們的製造技術應用到一個硅片製造廠中，這樣的項目為相關研究提供了支持。雖然沒人能預測完全由碳納米管制成的芯片何時可以上架，但一些樂觀估計認為這一時間應該不超過5年。
這可能已經不再是一個是或否的問題，而僅僅是何時的問題。[4]
46：機器學習算法識別出針對纖維化的潛在藥物候選分子所需的天數
○ 圖片來源：Insilico Medicine
一項人工智能的突破創造了抗纖維化潛在藥物的新分子，並在相關分析中得到了驗證。
纖維化是指器官組織內纖維結締組織增多，可導致器官組織功能減退。DDR1是一種與纖維化和其他疾病有關的
激酶靶點。一項新的研究完成了一個時間挑戰。在21天內，新的人工智能系統GENTRL（Gentrive Tensorial Reinforcement Learning）設計了6種新的DDR1抑制劑。其中有四種在生化試驗中表現出活性，兩種通過了細胞試驗。其中一種在小鼠體內試驗表現良好。從確定靶點到完成體外和體內驗證，整個過程僅僅用了46天。這項研究向我們展示了AI在生物化學領域的巨大潛力。單在藥物研發方面，這個系統可以為醫藥公司節省大量研發時間和開支。[5]
<3：使用大面積快速打印技術的新型3D打印機構建1.2米聚氨酯丙烯酸酯格架所需的小時數
○ 圖片來源：Northwestern University
這是一項革命性的打印技術，它實現了快速的大尺寸3D打印。
今年，美國西北大學的研究人員突破了傳統技術的極限。以往，3D打印為了實現更大尺寸的打印，往往會以犧牲打印速度和分辨率等方面為代價。過去3D打印最大的技術制約之一就在於打印過程中的熱量產生，但這項新技術巧妙地繞過了這個問題，他們利用一個不沾材質的界面來消除熱量，並提高了打印速度。
更令人欣喜的是，研究團隊認為該技術可以在18個月內投入市場，並已成立公司。這能否改變現有3D打印市場的格局？或許值得期待。[6]
30%：利用電化學有機合成的新方法合成ADN所提高的產量
○ 圖片來源：Modestino lab
電化學有機合成在2019年取得了巨大飛躍。電化學有機合成是一種電力驅動的、節能的過程，它可以很容易地與可再生能源結合在一起。化學家利用這種過程降低能耗和排放，使工業過程更加綠色。
今年，研究人員利用人工智能，發現了一種能大大提高電化學有機合成效率的方法來製備己二腈（ADN）。新方法調整了將電流輸送到催化電極的方式，然後應用人工智能進一步優化反應，使得ADN產量提高了30%。ADN是合成尼龍66的主要材料，但以往其製備方法有毒且耗能，而這種新方法則更加綠色節能。
除此之外，在環氧化物的製備等方面，電化學有機合成同樣取得了進展。[7]
<5%：目前全世界回收的鋰離子電池的百分比
○ 圖片來源：Mitch Jacoby/C&EN
2019年，諾貝爾化學獎頒發給了約翰·古迪納夫、斯坦利·威廷漢和吉野彰三人，以表彰他們為鋰離子電池的研發所做的卓越貢獻。從手機到筆記本電腦，沒有鋰電池就沒有我們現代如此便捷的生活。
與此同時，科學家也開始著手評估鋰電池等材料的回收與再利用。根據相關研究，在澳大利亞，只有2-3%的鋰離子電池被收集起來並送往海外進行回收。歐盟和美國的回收率也不到5%。許多廢棄電池被扔進垃圾桶，最終簡單粗暴地被填埋。
其實鋰離子電池中包含貴重金屬和其他材料，非常值得被回收、加工和再利用。研究人員正尋找成本效益高、環境可持續的方法，更好地再利用這些資源。[8]
<0.0001：最小的光譜儀的長度（單位：米），由硫化鎘和硒化鎘組成的納米線製成
○ 圖片來源：Ella Maru Studio
儀器的微型化是開發分析工具的最大挑戰之一。今年，一個國際團隊提出了一種測量入射光子能量的裝置，但這種裝置只有幾微米長，寬度只有幾百納米。
超小型顯微分光計有著非常廣泛的應用前景，從釐米級的樣品到微觀的單細胞生物樣品均適用。光譜儀通常使用單色或寬譜（即多色）光源。儘管新的單納米線光譜儀尺寸非常小，但它在兩種情況下都顯示出優異的性能。此外，研究表明，光譜分辨率等技術指標與商用儀器相當。
研究人員表示，這項結果的主要意義不在於展示光譜儀本身，而在於它代表了可以說是最簡單的光譜儀平臺。通過使用這些簡單的平臺，還可以繞過光譜儀中其他光學元件微型化的需要。[9]
寫在最後：
在收集資料期間，我請教了廣州大學一位年輕有為的化學教授鄭李垚，和他聊了聊他心中的“榜單”。鄭老師是不折不扣的90後，但對科學有著深刻的見解。非常感謝他向我介紹了前言中提及的“宇宙中發現HeH⁺證據”的研究。在他看來，這項突破及之前的相關研究，能很好地體現在科學中經過一步一步累積，最後得到關鍵結果的過程。同時，這項成果也是改變人類認知格局的一步。
儘管有人開玩笑地說，“諾貝爾化學獎”越來越像“諾貝爾理綜獎”，但這或許也恰恰是化學與其他學科不斷交叉融合的表現。在收集資料的過程中也有一種強烈的感受，化學的諸多領域在產業、技術等領域，正以一種不為我們所知的方式悄悄地改變著我們的生活。
參考鏈接：
[1] https://cen.acs.org/education/science-communication/CENs-Year-Chemistry-2019/97/i48
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4
[3] https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.9b01517
[4] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1493-8
[5] https://www.nature.com/articles/s41587-019-0224-x
[6] https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360
[7] https://cen.acs.org/materials/energy-storage/time-serious-recycling-lithium/97/i28
[8] https://www.pnas.org/content/116/36/17683
[9] https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1017
[10] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-04/uoz-ros042419.php
[11] http://news.mit.edu/2019/carbon-nanotubes-microprocessor-0828
[12] https://news.northwestern.edu/stories/2019/10/biggest-fastest-3d-printer-is-future-of-manufacturing/
[13] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/im-nmd083019.php
[14] https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/06/you-eat-thousands-of-bits-of-plastic-every-year/
[15] https://physicsworld.com/a/single-nanowires-make-powerful-spectrometers/
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