破解组合

动物的免疫系统可以筛选数万亿个抗体，以找到恰好能与入侵病原体结合的一个抗体——并在感染失控之前完成这项工作。自 20 世纪 80 年代末以来，许多化学家一直以免疫系统为模型，设计加速评估新药的极其缓慢过程的技术。这种方法被称为组合化学，已经发展成为传统实践的宝贵替代方案，即逐个合成可能拯救生命的化合物。现在，它已准备好进行更广泛的应用，帮助技术专家们不懈地寻找具有更好电气、磁性、光学或催化性能的材料。

组合化学允许同时筛选大量候选药物——核酸、肽和小有机分子。 Affymax 研究机构是一家位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的生物技术公司，一直是组合技术发展的领导者。去年，Affymax 被世界最大的制药商葛兰素收购。Affymax 的几位创始人最近开始努力将组合方法应用于材料世界的其他领域。这些研究人员没有研究生物分子，而是演示了如何使用组合技术一次筛选数千种有机和无机化合物。

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去年发表在《科学》杂志上的两篇文章概述了这种方法在加速和拓宽寻找新型材料的繁琐过程方面的潜力。一家名为 Symyx 的新公司（源自希腊语，意思是“混合物质以形成新事物”）已获得该技术的许可，以将其开发成可销售的产品。

其中一篇论文描述了使用组合技术快速简便地合成一系列高温超导材料。来自加州大学伯克利分校和能源部劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL) 的一个研究团队部署了一种离子枪，该离子枪通过模版状的掩模将氧化物溅射或喷射到金属表面上。“它就像一个精密的喷漆罐，”加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究所的化学教授彼得·舒尔茨解释道，他与 LBNL 的向晓东共同领导了这项研究工作。该技术也类似于半导体行业中使用的技术，通过将选定部分暴露于紫外线下，在芯片上创建电路图案。

在舒尔茨的实验中，离子枪通过一个具有 128 个矩形开口的掩模喷射七种金属氧化物——一次一种，每个开口的尺寸仅为 1 毫米 x 2 毫米。整个网格覆盖的表面不超过棋盘上的一个方格。为了改变 128 个薄膜矩形中每个矩形的成分，在定义网格元素的掩模顶部放置了一组额外的掩模。每个覆盖掩模阻止氧化物到达网格的某些行或列。研究人员在分别铺设七种氧化物中的每一种时，更换了覆盖掩模。各种掩模几何形状确保阵列中的每个矩形都接收到七种氧化物的不同组合。然后将所得混合物烧结（烘烤）以生产成品陶瓷。

然后，研究人员使用电探针测量化合物在不同温度下的电阻。许多小的矩形薄膜元件被设计用来复制两种已知的高温超导体的特性——并且，正如所希望的那样，这些矩形中的材料在 80 到 90 开尔文（高于绝对零度摄氏度）下无电阻地导电。该温度足够高，以至于冷却剂可以是液氮——这是比将经典超导体超冷至 4 开尔文所需的成本更高且寿命更短的液氦更可取的替代品。

舒尔茨和向认为，这些技术将大大缩短测试新材料所花费的时间，因为可以在几个小时内进行数千次分析。目前的材料表征方法通常需要整整一个工作日才能测试一种化合物。

此外，组合方法可能适用于广泛的材料。在《科学》杂志的后续论文中，实验者成功地利用相同的方法来表征一类称为钙钛矿型晶体陶瓷的性质——特别是钴氧化物钙钛矿。这些钙钛矿表现出所谓的巨磁阻：当暴露于磁场时，它们的电阻会发生显着变化，这使得它们非常适合高容量数据存储。

组合技术现在正走向市场。 Symyx 由舒尔茨和 Affymax 的创始人兼首席执行官 Alejandro Zaffaroni 创立，专注于开发更实用的硬件，用于创建和测试新材料。例如，该公司正在考虑如何促进改进计算机或电视显示器发光磷光体的版本。组合技术可以创建一种显示屏，其中每个图像元素或像素都由与周围像素具有不同成分的荧光粉照亮。荧光粉可以通过掩模直接沉积到导电材料的基底上，导电材料反过来将充当向像素发送电流的电极的接口。当显示器打开时，可以很容易地挑选出发光最亮或显示最生动色彩的荧光粉，以便在实验室中进行进一步检查。

类似的方法可能有助于永无止境地寻求更好的电池。在这种情况下，人们将从构建在绝缘表面上的微型电极阵列开始。再次使用一系列掩模，工人可以制造聚合物薄层，这些聚合物将充当微小阳极和阴极网格之间的固体电解质。具有最理想电气性能的聚合物将脱颖而出。

组合材料科学似乎已准备好改变化学家的工作方式。“与其设计一个实验，不如设计 10,000 个，”舒尔茨说。试错法可能会变得更多尝试，更少错误。