NGC 7027。

这是揭开早期宇宙化学谜团的行星状星云的编号。

在门捷列夫提出元素周期表150周年之际，科学家揭开了一个长久以来与元素“开端”有关的谜团——分子是如何形成的。

科学家认为，在大爆炸后约10万年，中性氦原子与质子开始反应，形成宇宙中的第一批分子：HeH⁺（氦合氢离子）。这是宇宙演化的第一步。到了1970年代末，理论学家预测出，这类分子很有可能在行星状星云中形成，因为在那里有着与早期宇宙相似的物理条件。但40多年来，科学家并没有发现任何证据，这使得相关理论也受到了质疑。

经过不懈努力，并借助技术进步，科学家终于证实了这个理论，为数十年的探索画上了圆满的句号。尽管这看起来像是一项天文学研究，但它实则揭开了化学的本源问题，也是化学与其他学科交叉融合的例子。

下面，我们将通过一些数字，来呈现2019年化学不同领域的部分代表性研究。或许今后我们能越来越多地看到化学与各种学科的交叉融合，在科学的图谱上展开更精彩的篇章。

1.8×10²²

氙-124的半衰期（单位：年），

有史以来最长的直接测量值

○ 根据能量守恒定律，氙-124无法通过电子俘获衰变。然而，它可以通过双中微子双电子俘获，以极长的半衰期衰变为一个碲-124原子。

科学时常带来意外的惊喜。

在意大利格兰萨索山脉大约1500米深的地方是地下实验室LNGS，这里的科学家在一个封闭的实验室里寻找暗物质粒子。他们的工具是XENON1T探测器，其中心部分包含着一个长约一米的圆柱形罐，里面填充着超过3200千克的液态氙，这些液态氙被冷却到了零下95摄氏度。

虽然到目前为止，这种探测器还没有观察到任何暗物质粒子，但研究人员首次观测到了氙-124原子的衰变。测量到的半衰期是宇宙年龄（约140亿年）的一万多亿倍[2]。这是人类迄今探测到的最缓慢的过程。这次的成功为那些旨在探测其他原子核中的罕见衰变的实验奠定了基础。

90000

如果只通过瓶装水满足日常用水需求，

每人每年将额外摄入的微型塑料片的数量

○ 图片来源：Ivy Main under CC BY-SA

在生态系统中，微塑料无处不在，但它对人类的影响程度尚不清楚。

2019年，一项研究以美国饮食为重点，评估了日常食品中的塑料微粒数量与其建议的每日摄入量之间的关系，并探讨了饮用水的来源如何影响微塑料的摄入。据估计，我们每年摄入的微塑料约39000到52000个颗粒（具体取决于年龄和性别），如果加上吸入的颗粒，这个数字可能会增加到74000到121000。此外，如果我们仅通过瓶装水满足个人用水需求，每人每年可能会额外摄入90000个微塑料颗粒。研究人员还表示，由于方法和数据的限制，这些值可能被低估。

事实上，研究人员尚不清楚微塑料对健康的具体影响。一些初步研究表明它们可能会对免疫系统或肠道平衡造成影响，同时毒性或许也有可能在体内累积。但在我们弄清楚之前，我们可能已经在不知不觉中吞下了不少塑料。[3]

>14,000

制作第一台能运行简单程序的

纳米管计算机微处理器所需的碳纳米管数量

○ 图片来源：Max Shulaker/MIT

经过多年的尝试和挑战，MIT研究人员用碳纳米管（CNT）晶体管构建了一个微处理器，人们普遍认为碳纳米管晶体管是一种比传统硅晶体管更快、更环保的替代品。这个微处理器可以使用传统的硅芯片制造工艺进行制造，是朝着使碳纳米管微处理器更实用化迈出的重要一步。

制造碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）已成为下一代计算机的主要目标。主要目标是把芯片投入现实世界。为此，研究人员现在已经开始通过其他项目，将他们的制造技术应用到一个硅片制造厂中，这样的项目为相关研究提供了支持。虽然没人能预测完全由碳纳米管制成的芯片何时可以上架，但一些乐观估计认为这一时间应该不超过5年。

这可能已经不再是一个是或否的问题，而仅仅是何时的问题。[4]

46

机器学习算法识别出针对纤维化的

潜在药物候选分子所需的天数

○ 图片来源：Insilico Medicine

一项人工智能的突破创造了抗纤维化潜在药物的新分子，并在相关分析中得到了验证。

纤维化是指器官组织内纤维结缔组织增多，可导致器官组织功能减退。DDR1是一种与纤维化和其他疾病有关的激酶靶点。一项新的研究完成了一个时间挑战。在21天内，新的人工智能系统GENTRL（Gentrive Tensorial Reinforcement Learning）设计了6种新的DDR1抑制剂。其中有四种在生化试验中表现出活性，两种通过了细胞试验。其中一种在小鼠体内试验表现良好。从确定靶点到完成体外和体内验证，整个过程仅仅用了46天。

这项研究向我们展示了AI在生物化学领域的巨大潜力。单在药物研发方面，这个系统可以为医药公司节省大量研发时间和开支。[5]

<3

使用大面积快速打印技术的新型3D打印机

构建1.2米聚氨酯丙烯酸酯格架所需的小时数

○ 图片来源：Northwestern University

这是一项革命性的打印技术，它实现了快速的大尺寸3D打印。

今年，美国西北大学的研究人员突破了传统技术的极限。以往，3D打印为了实现更大尺寸的打印，往往会以牺牲打印速度和分辨率等方面为代价。过去3D打印最大的技术制约之一就在于打印过程中的热量产生，但这项新技术巧妙地绕过了这个问题，他们利用一个不沾材质的界面来消除热量，并提高了打印速度。

更令人欣喜的是，研究团队认为该技术可以在18个月内投入市场，并已成立公司。这能否改变现有3D打印市场的格局？或许值得期待。[6]

30%

利用电化学有机合成的新方法

合成ADN所提高的产量

○ 图片来源：Modestino lab

电化学有机合成在2019年取得了巨大飞跃。电化学有机合成是一种电力驱动的、节能的过程，它可以很容易地与可再生能源结合在一起。化学家利用这种过程降低能耗和排放，使工业过程更加绿色。

今年，研究人员利用人工智能，发现了一种能大大提高电化学有机合成效率的方法来制备己二腈（ADN）。新方法调整了将电流输送到催化电极的方式，然后应用人工智能进一步优化反应，使得ADN产量提高了30%。ADN是合成尼龙66的主要材料，但以往其制备方法有毒且耗能，而这种新方法则更加绿色节能。

除此之外，在环氧化物的制备等方面，电化学有机合成同样取得了进展。[7]

<5%

目前全世界回收的锂离子电池的百分比

○ 图片来源：Mitch Jacoby/C&EN

2019年，诺贝尔化学奖颁发给了约翰·古迪纳夫、斯坦利·威廷汉和吉野彰三人，以表彰他们为锂离子电池的研发所做的卓越贡献。从手机到笔记本电脑，没有锂电池就没有我们现代如此便捷的生活。

与此同时，科学家也开始着手评估锂电池等材料的回收与再利用。根据相关研究，在澳大利亚，只有2-3%的锂离子电池被收集起来并送往海外进行回收。欧盟和美国的回收率也不到5%。许多废弃电池被扔进垃圾桶，最终简单粗暴地被填埋。

其实锂离子电池中包含贵重金属和其他材料，非常值得被回收、加工和再利用。研究人员正寻找成本效益高、环境可持续的方法，更好地再利用这些资源。[8]

<0.0001

最小的光谱仪的长度（单位： 米），

由硫化镉和硒化镉组成的纳米线制成

○ 图片来源：Ella Maru Studio

仪器的微型化是开发分析工具的最大挑战之一。今年，一个国际团队提出了一种测量入射光子能量的装置，但这种装置只有几微米长，宽度只有几百纳米。

超小型显微分光计有着非常广泛的应用前景，从厘米级的样品到微观的单细胞生物样品均适用。光谱仪通常使用单色或宽谱（即多色）光源。尽管新的单纳米线光谱仪尺寸非常小，但它在两种情况下都显示出优异的性能。此外，研究表明，光谱分辨率等技术指标与商用仪器相当。

研究人员表示，这项结果的主要意义不在于展示光谱仪本身，而在于它代表了可以说是最简单的光谱仪平台。通过使用这些简单的平台，还可以绕过光谱仪中其他光学元件微型化的需要。[9]

写在最后：

在收集资料期间，我请教了广州大学一位年轻有为的化学教授郑李垚，和他聊了聊他心中的“榜单”。郑老师是不折不扣的90后，但对科学有着深刻的见解。非常感谢他向我介绍了前言中提及的“宇宙中发现HeH⁺证据”的研究。在他看来，这项突破及之前的相关研究，能很好地体现在科学中经过一步一步累积，最后得到关键结果的过程。同时，这项成果也是改变人类认知格局的一步。

尽管有人开玩笑地说，“诺贝尔化学奖”越来越像“诺贝尔理综奖”，但这或许也恰恰是化学与其他学科不断交叉融合的表现。在收集资料的过程中也有一种强烈的感受，化学的诸多领域在产业、技术等领域，正以一种不为我们所知的方式悄悄地改变着我们的生活。

扩展阅读

《2019年，太空大发现》

《2019年，生命科学大发现》

参考链接：

[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