2015 年，非洲的埃博拉疫情在化學界引起了廣泛關注，藥物化學家們發現自己正在與這種致命疾病進行一場爭分奪秒的戰鬥。1 月，葛蘭素史克 (GSK) 在一項針對 60 名人類志願者的實驗性疫苗測試中，發現該疫苗在所有測試者身上都引發了免疫反應。但該疫苗的有效性很快受到質疑，因為這種反應遠低於獼猴身上的反應。
然而，在8 月快速推進的 VSV-ZEBOV 疫苗的 III 期試驗取得成功後，人們的希望很快被重新點燃。該疫苗由加拿大公共衛生署開發，是一種含有扎伊爾埃博拉病毒一小部分的活病毒。在西非幾內亞，對 100 名埃博拉患者的 4000 多名密切接觸者或家庭成員進行了“環形疫苗接種”策略。所有在家庭成員被診斷出患病後立即接種疫苗的人都沒有感染埃博拉。
儘管過去兩年埃博拉疫苗的研究進展迅速，但首個瘧疾疫苗僅在 2015 年 7 月獲得批准，儘管進行了數十年的深入研究。歐洲藥品管理局在對 15,000 多名兒童進行大規模臨床試驗後，批准了由葛蘭素史克開發的瘧疾疫苗 Mosquirix。但其療效受到質疑，世界衛生組織 (WHO) 的兩個委員會在 10 月建議限制其廣泛使用。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
即便如此，諾貝爾委員會今年還是認可了抗瘧藥物的研究，屠呦呦因其在抗瘧藥物青蒿素方面的開創性工作而獲得了一半的2015 年諾貝爾生理學或醫學獎。受中國鍊金術士葛洪著作的啟發，屠呦呦從一種古老的草藥——青蒿中提取了活性化合物。這種藥物每年挽救了非洲大約 10 萬人的生命。屠呦呦的獲獎並非沒有在她自己的國家引發爭議，多年來，人們一直在爭論如何分配這項發現的功勞。
另一半的諾貝爾獎頒發給了威廉·坎貝爾和大村智，他們因從日本的土壤樣本中分離出抗寄生蟲藥物阿維菌素而獲獎。這些獲獎者幫助啟動了一場天然產物發現的淘金熱，直到今天，研究人員仍在尋找新的抗生素，因為世界正面臨一場危機，根據 2014 年 12 月的一項研究，如果不加控制，到 2050 年可能會導致 3 億人死亡。
由於自 20 世紀 80 年代後期以來，抗生素的研發管道已經枯竭，許多人可能受到了獲獎者的方法的啟發。我們今年報道說，美國抗菌發現中心的金·劉易斯及其同事建立了 iChip 平臺，這是一種類似培養皿的容器，可以放置在土壤中，以便細菌物種在原位生長。利用 iChip，該團隊發現了新型抗生素 teixobactin，這可能是自 1987 年以來發現的第一類新抗生素。
藝術化學
梵高的藝術對現代文化產生了不可磨滅的影響，但比利時的科學家發現，他的一些最著名的作品可能會隨著時間的推移發生化學變化。
這位後印象派畫家在他最具創造力的時期創作了 800 多幅油畫，在使用鮮豔的色彩時使用了含鉛顏料的混合物。然而，比利時安特衛普大學的科恩·詹森斯及其同事發現了幾幅作品，這些作品中的顏料在陽光下逐漸改變顏色。
該團隊首先檢查了梵高《多雲天空下的麥垛》中的白色小球，使用了 x 射線斷層掃描技術。原來的顏料，紅色鉛或鉛丹 (Pb3O4)，被埋在深處，周圍環繞著一種奇異的礦物——碳酸鉛礦，以及碳酸鹽和白鉛礦。分析表明，紅鉛在陽光下轉化為碳酸鉛礦，而碳酸鉛礦與二氧化碳反應生成我們今天看到的白色白鉛礦層。
詹森的團隊還有幸研究了梵高最著名的作品之一，《向日葵》。研究人員利用 X 射線吸收近邊結構光譜法，發現位於花瓣內的黃色顏料鉻酸鉛隨著時間的推移而變暗，任何鉻都從鉻 (IV) 還原為鉻 (III)。
自然選擇
從大自然中汲取靈感也是過去一年材料化學的主題。
受到奈米比亞沙漠甲蟲在乾旱氣候中生存能力的啟發，沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的彭王及其同事發現了一種低成本建立圖案化超疏水錶面的方法。這種沙漠甲蟲在其蠟質背上收集水分，其背上有一系列親水凸起，水被引導到其嘴裡。王的團隊透過使用噴墨印表機將摻有乙醇的多巴胺沉積到超疏水錶面上來複制這種表面。多巴胺自聚合形成離散的親水凸起。研究人員希望這種製造工藝能夠幫助未來生產定製的潤溼表面。
靛藍彩鵐的鮮豔藍色是其羽毛中微觀結構的結果
©iStock.com
來自美國和韓國的物理學家試圖理解為什麼當光線干擾時，精細結構的天然和人造表面會產生紫色、綠色和藍色，但不會產生紅色。該團隊使用固體微觀球體的懸浮液製造出一種紅色光子玻璃（一種產生與視角無關的相同顏色的結構），發現紅色和藍色波長總是同時產生，發出紫色。美國哈佛大學的維克多·馬諾哈蘭及其同事意識到，可以透過使用空心球來抑制這種效應，從而製造出純紅色的玻璃。馬諾哈蘭認為，既然他們已經掌握了結構紅色的公式，這種玻璃可能會在電子紙顯示器中找到用途。
但並非所有的化學家都為了技術進步而挖掘自然；有些人只是出於好奇。2015 年 3 月，一個國際化學家團隊提供了一個答案，這個問題無疑也曾縈繞在許多廚師的腦海中：為什麼龍蝦在煮熟時會從深藍色變成紅橙色？該團隊表明，與蛋白質結合的蝦青素（使龍蝦具有獨特的深藍色外殼）通常以帶負電的烯醇負離子形式存在。一旦加熱，蛋白質就會變性，釋放出蝦青素——一種常見的類胡蘿蔔素，呈紅橙色。
自制海洛因
在研究成功地改造出這種酵母菌株之後，人們對犯罪分子可能利用生產鴉片的酵母菌提出了擔憂。
從葡萄糖生產止痛鴉片類藥物的合成途徑需要 16 個步驟，研究人員一直在努力將所有這些步驟引入單一酵母菌株。2015 年 5 月，美國加州大學的約翰·杜伯領導的一個小組將酪氨酸羥化酶整合到一種酵母菌株中，該菌株可以將酪氨酸轉化為 L-DOPA，這是迄今為止尚未實現的關鍵一步。
但在三個月後，美國斯坦福大學的一個小組改造出了一種酵母菌株，該菌株可以執行整個途徑，並從葡萄糖中生產鴉片類藥物蒂巴因。克里斯蒂娜·斯莫爾克及其同事將來自各種生物來源的 21 種酶混合到釀酒酵母中。斯莫爾克確認，該過程不能用於生產“自制海洛因”，因為目前的合成只能產生非常適度的產量。
碰撞路線
對龍蝦好奇的化學家並不是今年唯一看到紅色的研究人員。天文學家一直在試圖瞭解冥王星紅色大氣層的化學性質，以及辯論圍繞著不幸的菲萊著陸器對 67P 號彗星的觀測結果的化學矛盾。
在歐洲航天局的羅塞塔探測器上進行了十年的旅程後，該探測器目前正在 67P 周圍的軌道上執行，太陽能菲萊著陸器於 2014 年 11 月降落在彗星表面。但在著陸器完全陰影中著陸後，該航天器迅速關閉，只能獲得長達 60 小時的觀測結果。
來自菲萊資料的早期跡象表明，彗星表面可能存在有機分子，這可能是地球上生命如何開始的跡象。這一說法很快在 2015 年 1 月得到了大量研究活動的支援，天體化學家仔細研究了羅塞塔的初步光譜資料。1 月，負責羅塞塔可見光和紅外熱成像光譜儀的小組報告了 2.9µm 至 3.6µm 的寬光譜吸收帶，該區域表明存在含有碳氫鍵和氧氫鍵的有機分子。然而，該小組不願表示彗星可能將生命的基石帶到了行星上，因為沒有檢測到氨基酸形成的關鍵成分——氮。
對氮的存在的質疑再次成為 7 月羅塞塔任務的中心，因為菲萊的兩個儀器出現了相互矛盾的結果。彗星取樣和成分儀在菲萊顛簸著陸後立即啟動，在著陸器進入休眠狀態之前，檢測到 16 種有機分子，其中一半含有氮。其中檢測到的分子包括異氰酸甲酯和乙腈，但Ptolemy 氣相色譜儀和離子阱質譜儀未檢測到此類訊號。研究人員提出了許多關於這種差異的理論，包括儀器在著陸器上的位置，或者由於菲萊在彗星表面彈跳，無法採集到有意義的樣本。
過去 12 個月變得更加清晰的一件事是冥王星大氣層的化學性質。美國宇航局的新視野號探測器在近十年前被送入太空，在 2015 年 7 月捕捉到了這顆矮行星 80 英里厚的紅色大氣層的首批影像。美國宇航局認為，這種紅色色調歸因於複雜的碳氫化合物，它們凝結成被稱為託林的異聚合物薄霧。 新視野號上的紅外光譜儀還檢測到冥王星表面存在凍結的甲烷，美國宇航局認為這種甲烷本質上是原始的。
回到學校
今年，來自捷克共和國的一組化學家回到學校，詢問為什麼鹼金屬在水中會爆炸。
廣受歡迎的高中演示實驗——鈉水爆炸被認為是由於氫氣和蒸汽的產生以及當電子從金屬中釋放出來時點燃而造成的。
捷克科學院的帕維爾·榮維爾特（Pavel Jungwirth）及其同事對這種解釋並不滿意。他們認為，金屬不會與周圍的水發生反應，因為最初產生的氣體將充當絕緣層，而反應依賴於直接接觸。為了確定發生了什麼，研究人員將一塊鈉鉀合金放入水中，並使用能夠以每秒 10,000 幀速度拍攝的高速攝像機觀察了隨後的反應。
他們發現，電子的釋放導致合金中產生過量的正電荷。這種電荷不穩定性導致金屬枝晶刺穿氣體層，從而使金屬與水的反應得以進行。
燈光、攝像機、反應
研究人員不僅僅在揭示太空中的化學反應。在 2015 年國際光年期間，輻射也被用於研究地球上化學鍵的本質。
來自美國斯坦福大學的安德斯·尼爾森（Anders Nilsson）及其同事在加利福尼亞州的 Linac 相干光源（SLAC）首次直接測量了鍵形成過渡態。該團隊研究了釕催化劑上的碳一氧化物氧化，併發射了一個光學雷射脈衝來刺激反應。激發反應物後，尼爾森的研究小組發射了一個 X 射線脈衝來探測碳一氧化物和氧的結合。氧原子和催化劑之間的鍵合立即減弱，到 1 皮秒時，10% 的一氧化碳與氧形成了過渡態。尼爾森指出，未來的此類研究可能會將物理化學帶入粒子物理學的領域。
他的預測似乎很有道理，因為越來越多的研究人員正在使用來自粒子加速器的輻射來探測鍵的形成（和破壞）。在尼爾森的研究一個月後，在日本 SPring-8 埃安自由電子雷射裝置的研究人員使用類似的 X 射線脈衝技術探測了水中三聚體金絡合物（[Au(CN)2-]3）的鍵合。
但 6 月，SLAC 的一組科學家更進一步。邁克爾·米尼蒂（Michael Minitti）及其同事使用超高亮度 X 射線散射技術製作了他們聲稱是分子發生反應的首部電影。該團隊研究了 1,3-環己二烯的光化學開環反應。研究人員沒有向反應發射一個 X 射線脈衝，而是發射了一系列連續的脈衝來獲得散射曲線的時間線。該團隊透過將他們的曲線與量子力學模擬相結合，確定了所採取的反應路徑。但一些研究人員，如德國自由電子雷射科學中心的約亨·庫珀（Jochen Küpper），質疑這樣的結果是否真的能代表“分子電影”。
一些化學家並沒有將光作為公正的觀察者，而是在 2015 年使用光來控制鍵的形成。早在 6 月，我們就報道了來自以色列和德國的一個科學家團隊成功地操縱了氣相反應中的鍵的形成。來自德國卡塞爾大學的克里斯蒂安·科赫（Christiane Koch）及其同事將 1000K 的鎂蒸氣暴露於“啁啾”飛秒雷射下。他們使用相干控制，一種透過量子干涉來控制動態過程的方法，來決定鎂二聚體形成的速率。這一發現可能開啟“光化學裝配線”的可能性，可以按需泵出特定的分子。
機器的崛起
英國的一組計算機科學家開發了一種“機器人科學家”，這是一個完全自動化的人工智慧平臺，能夠篩選潛在的候選藥物。
機器人伊芙是亞當的升級版，亞當是第一個獨立研究麵包酵母——釀酒酵母並做出科學發現的計算機系統。伊芙由曼徹斯特大學的羅斯·金（Ross King）及其同事設計，可能看起來不像我們聽到“機器人”這個詞時所想的那樣，但它仍然是計算機組和機械臂的複雜混合體。該系統能夠建立假設、測試假設、解釋結果並根據結果改進輸入。人類干預僅需補充試劑和處理廢物。
伊芙有可能每天篩選數千種候選藥物，並且已經取得了一些成功。該平臺將常見的抗生素 TNP-470 鑑定為可能的抗瘧疾化合物。
金希望製藥公司能使用計算機化科學家來簡化藥物開發，或者像 TNP-470 一樣，找出現有藥物的新用途。
照亮答案
儘管鈣鈦礦太陽能電池可能尚未投入生產線，但對於這項被吹捧為矽的可行替代品的技術來說，今年是重要的一年。
韓國化學技術研究所的桑·伊爾·索克（Sang Il Soek）及其同事在 2015 年初揭示了他們如何修改鈣鈦礦的有機金屬鹵化物結構以實現 20.1% 的創紀錄效率。該團隊混合了兩種不同的光收集鈣鈦礦，15% 的甲基銨溴化鉛和甲脒碘化鉛，以產生雙層電池，認為這種組合在光照下是穩定的。但它只有商業太陽能電池的一小部分大小，不到 0.1 平方釐米，一些研究人員質疑它在更現實的規模下是否穩定。
研究人員開始正面解決裝置穩定性的問題，由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的邁克爾·格雷策爾（Michael Grätzel）領導的一個團隊強調了效率測試的性質可能如何扭曲結果。格雷策爾的研究小組對以犧牲穩定性為代價追求更高效率感到不滿，後來製造了第一個由獨立測試實驗室正式認可的 1 平方釐米的鈣鈦礦太陽能電池。為了實現這一目標，研究人員沒有修改鈣鈦礦薄膜，而是改變了周圍的 NixMg1-xO 和二氧化鈦電荷提取層的晶格結構。Ni(Mg)2+ 和 Ti4+ 陽離子分別被 Li+ 和 Nb5+ 離子取代。該電池的效率為 16.2%，光伏測試界認可的更保守的測量值為 15%。
在 2015 年，水分解電解槽的效率也在不斷提高。這種電化學電池可能是未來氫氣生產的未來，但用於防止產物混合並引起爆炸的電極之間的膜生產成本高昂。瑞士洛桑聯邦理工學院的德米特里·薩爾蒂斯（Demetri Psaltis）領導的一個團隊透過建立無膜電解槽解決了這個問題。電極塗有有助於氫氣和氧氣析出的催化劑，它們之間僅相隔數百微米。當電解液在板之間流動時，析出的氣體不會混合，因為升力將它們推回電極。該團隊現在希望擴大電池的規模，用於商業應用。
隨著太陽的落下，2015 年的化學研究已經結束，讓我們看看 2016 年將會有什麼新的亮點。
本文經《化學世界》許可轉載。該文章於 2015 年 12 月 11 日首次發表。