化学家通常关注原子和分子层面的物质属性。这种关注看似狭隘，但实际上恰恰相反。化学揭示了我们周围世界的许多奥秘，包括生命的起源、人体如何运作以及微小分子如何深刻地改变地球大气层。当然，化学也使得创造自然界中不存在的有用材料成为可能。
此类真知灼见已受到一个多世纪的赞誉，化学领域诺贝尔奖的悠久历史便是明证。今年夏天，往届获奖者将与来自德国林道的后起之秀科学家们齐聚一堂，探讨过去的突破和未来的前景。为了纪念这一盛事——第63届林道诺贝尔奖获得者大会，《大众科学》将刊登多年来化学领域诺贝尔奖得主撰写的文章节选，从第70页开始。许多片段与当今研究人员的优先事项产生共鸣。
科学家们直到20世纪初才将最初抽象的原子和分子概念置于坚实的实验基础上，这或许会令人惊讶。西奥多（The）·斯维德贝格在1913年《大众科学》上撰文，描述了欧内斯特·卢瑟福对α粒子（氦原子核）的研究以及其他研究如何确凿地证实了原子和分子的存在。快进100年，原子力显微镜等技术可以生成分子的图像，其中原子以及原子之间的化学键清晰可见。眼见为实，这样的图片几乎不容置疑。
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早在20世纪初，X射线晶体学的发展使科学家们能够生成各种分子中原子三维排列的首批图像。约翰·C·肯德鲁在1961年《大众科学》上将瞥见氧结合蛋白肌红蛋白三维结构的体验比作欧洲探险家首次发现美洲。
即使在今天，许多研究人员仍然依靠X射线晶体学来可视化生物体中蛋白质和其他分子的结构。最近四届化学诺贝尔奖中的两届（2009年和2012年）授予了部分基于细胞中大分子组装体（即核糖体和G蛋白偶联受体（GPCRs））的X射线结构研究。就核糖体而言，X射线晶体学不仅让我们看到了这种精密的分子机器如何将氨基酸串成蛋白质，而且还帮助研究人员开发出更有效的抗生素，干扰细菌核糖体。更详细地了解GPCRs可能同样有助于研究人员设计更精密的药物，因为据认为，三分之一的商业药物作用于这些嵌入细胞壁中的丰富蛋白质。2011年，科学家们制作了第一个处于活动状态的GPCR的X射线图像，揭示了有关通过细胞膜传输信号的精心编排的步骤的新细节。
尽管X射线晶体学和其他新工具使研究人员能够更详细地检查生物体的生物化学，但生命本身的起源仍然更加神秘。1952年，哈罗德·C·尤里和他的学生斯坦利·L·米勒进行了现在被认为是经典的化学生命起源实验。通过在实验室中重现表面上代表地球早期大气层的条件，他们表明简单化合物可以形成氨基酸——蛋白质和地球上所有生命的基石。研究人员继续研究生命最初是如何产生的。一种学派认为，我们今天所知的生物化学机制（DNA制造RNA，RNA反过来制造蛋白质）早于RNA世界，在RNA世界中，RNA独自完成一切。
在尤里主持生命起源实验的同一年，他在《大众科学》上发表了一篇关于地球大气层起源的文章。随着时间的推移，越来越清楚的是，我们已经用人造化学物质极大地改变了我们星球的大气层。例如，氯氟烃（CFCs）助长了臭氧层的消耗。大气层的化学复杂性继续让科学家感到惊讶。去年刚刚发表的一项研究重点是在大气中发现一种以前未被探测到的物质，它可以将二氧化硫转化为硫酸，硫酸是酸雨的成分之一。反过来，新大气化合物的发现有助于研究人员改进他们的大气过程模型，我们依靠这些模型来预测未来的变化。
通过化学产生的合成物质也极大地改善了人们的日常生活。在过去的一个世纪里，日益精密的合成化学产生了自然界中不存在的有用材料和药物。合成聚合物就是一个很好的例子：它们是由重复单元（单体）组成的大分子，单体通常以链状连接在一起。它们的商标名称可能非常熟悉：特氟隆、泡沫塑料和凯夫拉。为了表彰朱利奥·纳塔和卡尔·W·齐格勒在开发控制单体方向的催化剂（当单体添加到不断增长的聚合物链中时）方面所做的贡献，他们于1963年获得了化学诺贝尔奖。使用齐格勒-纳塔（及相关）催化剂制造的商业塑料至今仍在大规模生产。
由于化学非常广泛，人们可以设想许多未来值得获得诺贝尔奖的突破。也许科学家们将从头开始构建一个功能细胞，或者构建一种比植物更有效地从阳光中提取能量的人造叶片。无论接下来会发生什么发现，历史表明，它们将揭示我们周围世界的隐藏运作方式，并将帮助我们在自然界无法提供时创造我们所需的东西。
— 斯图尔特·坎特里尔，《自然化学》首席编辑
原子与分子：基本发现
现代电学和物质理论
作者：玛丽·居里
发表于1908年6月
1911年诺贝尔奖
当回顾过去十年物理学领域取得的进展时，人们会被关于电和物质性质的基本思想所发生的变化所震惊。这种变化部分是由于对气体导电性的研究，部分是由于放射现象的发现和研究。我相信，这种变化远未结束，我们完全可以对未来的发展充满信心。今天看来已经明确解决的一个问题是对电的原子结构的看法，这种看法符合并完善了我们长期以来持有的关于物质原子结构的观点，而物质原子结构构成了化学理论的基础。
与此同时，电原子（我们目前的研究所无法分割）的存在似乎已得到确凿证实，这些原子的重要性质也已显示出来。我们称之为电子的负电原子被发现以自由状态存在，独立于所有物质原子，并且不具有与它们相同的任何性质。在这种状态下，它们在空间中具有一定的尺寸，并被赋予一定的惯性，这让人联想到将相应的质量归因于它们的想法。
实验表明，它们的尺寸与物质分子的尺寸相比非常小，并且它们的质量仅为一小部分，不超过氢原子质量的千分之一。它们还表明，如果这些原子可以孤立存在，它们也可能存在于所有普通物质中，并且在某些情况下可能由金属等物质发射，而其性质不会发生我们可感知的变化。
那么，如果我们将电子视为一种物质形式，我们就倾向于将它们的分裂置于原子之上，并承认存在一种极小的粒子，能够进入原子的组成，但不一定通过它们的离开而导致原子破坏。从这个角度来看，我们倾向于将每个原子都视为复杂的结构，并且这种假设因表征不同原子的发射光谱的复杂性而变得可能。因此，我们对负电原子有一个足够精确的概念。
正电的情况并非如此，因为两种电之间似乎存在很大的差异。正电似乎总是与物质原子联系在一起，到目前为止，我们没有理由相信它们可以分离。我们对物质的认识也因一个重要的事实而增加。物质的一种新性质被发现，并被命名为放射性。放射性是某些物质的原子所具有的一种性质，即射出粒子，其中一些粒子的质量与原子本身的质量相当，而另一些粒子则是电子。铀和钍以轻微程度拥有的这种性质导致了一种新的化学元素镭的发现，镭的放射性非常强。镭排出的粒子中，有些粒子以极高的速度被射出，并且它们的排出伴随着大量的热量释放。因此，放射性体构成了一种能源。
根据最能解释放射现象的理论，放射性体的某些比例的原子会在给定的时间内发生转变，产生原子量较小的原子，在某些情况下还会排出电子。这是一种元素嬗变理论，但与炼金术士的梦想不同之处在于，我们声明我们目前至少无法诱导或影响嬗变。某些事实表明，放射性以轻微程度属于所有类型的物质。因此，物质可能远非以前认为的那样不变或惰性，相反，物质处于持续转变之中，尽管这种转变因其相对缓慢而逃脱了我们的注意。因此，我们面前出现的电原子的存在概念在现代电学理论中起着至关重要的作用。
分子的真实性
作者：西奥多（The）·斯维德贝格
发表于1913年2月
1926年诺贝尔奖
任何人查阅十九世纪末撰写的化学或物理学手册，以获取有关分子的信息，在许多情况下都会遇到对其真实存在的相当怀疑的陈述。一些作者甚至否认有可能通过实验来解决这个问题。而现在，仅仅十年之后，事情的面貌发生了怎样的变化！今天，分子的存在可以被认为是牢固确立的。这种彻底转变的原因必须在年轻的二十世纪的实验研究中寻找。[欧内斯特·]卢瑟福对α射线的杰出研究，以及对液体和气体中小颗粒悬浮液的各种研究，为物质的原子概念提供了实验证实。
现代证明分子存在的基础部分是基于直接让我们深入了解物质不连续（离散）结构的现象，部分是基于胶体溶液中提供的动力学理论的“工作模型”。这些后者已被证明与“真”溶液的不同之处仅在于，在胶体的情况下，溶解物质的颗粒要大得多。在所有方面，它们的行为都像真溶液，并遵循与后者相同的定律。第三，最近直接证明了不可分割的基本电荷的存在，这使我们能够得出关于可称重物质原子结构的结论。
在第一类证明中，卢瑟福的伟大发现（1902-1909年）是，许多放射性物质会发射小粒子，这些粒子在失去速度后，例如通过撞击容器壁，会表现出氦气的性质。通过这种方式，实验证明氦是由小的离散粒子分子构成的。事实上，卢瑟福实际上能够计算出在0摄氏度和一个大气压下每立方厘米氦气中包含的α粒子或氦分子的数量（1908年）。
第二类分子存在证明包括许多关于在胶体悬浮液中观察到的浓度随水平变化的现象的研究，以及关于扩散、布朗运动和此类系统中光吸收的相关现象的研究。
最后，现代对气体导电和所谓的β射线的调查已最终证明，电荷像物质一样具有原子性质，即由最终的基本带电粒子组成，这些粒子的质量仅约为氢原子的1/700。[罗伯特·安德鲁斯]密立根和[埃里希]雷根纳最近通过完全不同的方法成功地分离出电子并对其进行直接研究。
因此，我们看到，过去十年的科学工作为分子的存在带来了最有力的证明。不仅物质的原子结构得到了无可置疑的证明，而且实际上已经找到了研究单个原子的方法。我们现在可以直接计数和称重原子。怀疑论者还能要求更多吗？
热原子化学
作者：威拉德·F·利比
发表于1950年3月
1960年诺贝尔奖
初学化学的学生最先学到的事情之一是，原子的化学行为完全取决于围绕原子核循环的电子，而与原子核本身无关。事实上，同位素的经典定义指出，给定元素的所有同位素在化学活性方面都是相同的，即使原子核不同也是如此。像所有概括一样，即使是这一概括也带有一点虚假性。事实是，如果原子核具有放射性，则原子的化学行为可能会受到原子核内部事件的强烈影响。放射性原子有时产生的奇异化学效应催生了一个引人入胜的新研究分支，称为热原子化学。
在放射性被发现后不久，就注意到热原子之间不寻常的化学反应。早在1934年，当英国的利奥·西拉德和T.A.查尔默斯设计了一种称为西拉德-查尔默斯过程的方法时，就开始了对热原子化学的认真研究，该方法利用此类反应来获得用于研究目的的某些放射性化合物的浓缩样品。但是直到最近战争结束，化学家开始使用大量放射性材料时，该主题才开始引起广泛关注。自战争以来，来自世界所有主要科学国家实验室的关于这一有趣领域的研究报告纷纷涌现。
我们将要考虑的特定反应集是放射性碘在化合物碘乙烷—Ch3CH2I中的行为。我们从普通液态化合物样品开始，并通过用链式反应堆或回旋加速器的中子照射样品中的一些碘原子，将它们转化为放射性变体。中子没有化学性质，因为它们由纯核物质组成，没有相关的外部电子。由于它们没有外部电子，并且自身呈电中性，因此它们的穿透力惊人。它们很容易穿过几英寸的固体材料，直到它们偶然与路径中的一些微小原子核相互作用。
那么，假设我们将一瓶液态碘乙烷暴露于中子源。中子穿透玻璃，其中一部分被碘原子捕获。当正常碘原子I-127的原子核吸收一个中子时，它会转化为放射性同位素I-128。这个新物种非常不稳定：在不到百万分之一百万分之一秒的时间内，它会发射出能量巨大的伽马射线——数百万电子伏特。在释放出如此巨大的能量后，I-128原子被还原到较低的激发态。它仍然不稳定；原子继续衰变，并逐渐以25分钟的半衰期，I-128原子通过发射β粒子退化为氙128。这种能量的释放使碘乙烷分子中的I-128原子具有很大的反冲能量，就像从枪中发射子弹使枪后坐一样。据计算，原子的反冲能量约为2亿电子伏特。现在，碘原子在碘乙烷分子中结合的化学能仅约为三到四个电子伏特。反冲能量远大于化学键的强度，以至于每个I-128原子都以相当大的力从其分子中喷射出来。热原子化学关注的是这些高速碘原子从分子中排出后经历的不寻常的化学反应。由于1-128原子具有放射性，因此相对容易追踪它们随后的活动。
热原子化学可以用于什么用途？显而易见的用途之一是制备极高浓度的放射源。这项技术应有助于放射性材料的许多用途，尤其是在生物学中。当将放射性同位素注射到体内时，无论是作为示踪剂还是用于疾病治疗，通常都必须将注射的物质量保持在最低限度，以避免扰乱血液的正常成分或身体的正常新陈代谢。
生物学：生命化学
蛋白质分子的三维结构
作者：约翰·C·肯德鲁
发表于1961年12月
1962年诺贝尔奖
当早期的美洲探险家首次登陆时，他们拥有难忘的体验，即瞥见欧洲人以前从未见过的全新世界。诸如此类的时刻——新世界的首次景象——是探索的主要吸引力之一。科学家们不时有幸分享同样的兴奋。1957年一个星期天的早晨，我和我的同事们迎来了这样一个时刻，当时我们看到了一些以前没有人看到过的东西：一个蛋白质分子的三维图像，它展现了所有的复杂性。第一张图片很粗糙，两年后，我们又经历了一次几乎同样令人兴奋的体验，持续了许多天，这些天都花在了向一台快速计算机输入数据上，以便逐步构建出同一分子的更清晰的图像。该蛋白质是肌红蛋白，我们的新图像足够清晰，使我们能够推断出其近2,600个原子的实际空间排列。我们之所以选择肌红蛋白作为我们的首次尝试对象，是因为尽管它很复杂，但它是蛋白质分子中最小且可能最简单的一种，其中一些蛋白质分子比它大10倍甚至100倍。
从真正的意义上讲，蛋白质是活细胞的“工作”。细胞中发生的所有化学反应几乎都由酶催化，所有已知的酶都是蛋白质；一个细胞可能包含大约1,000种不同的酶，每种酶催化不同的特定反应。蛋白质还有许多其他重要功能，是骨骼、肌肉和肌腱、血液、头发、皮肤和膜的组成部分。除此之外，现在显而易见的是，从一代传到下一代的染色体核酸中的遗传信息，以每个细胞合成的蛋白质分子的特征类型来表达。显然，要理解活细胞的行为，首先必须弄清楚由几乎相同的几种基本单元组成的分子如何能够承担如此广泛的各种功能。
这些单元是氨基酸，大约有20种，它们连接在一起形成称为多肽的链。红细胞中的血红蛋白包含四条多肽链。肌红蛋白是血红蛋白的初级亲属，由一条多肽链组成。
即使在我们目前对肌红蛋白的研究尚不完善的状态下，我们也开始从蛋白质分子的三维化学结构的角度来思考，从而为它的化学行为和生理功能找到合理的解释，理解它与相关蛋白质的亲和力，并瞥见解释生物体内蛋白质合成以及由此过程中错误导致的功能障碍所涉及的问题。显而易见的是，今天的生物体研究者确实站在了一个新世界的门槛上。在新世界能够被完全入侵之前，还需要分析许多其他蛋白质，并在更高的分辨率下进行分析（例如我们希望很快用肌红蛋白实现的）。活细胞巨大分子之间的多种相互作用必须用充分理解的化学概念来理解。
尽管如此，现在可以清楚地看到为理解健康和疾病生物体的巨大结构复杂性、生物发生和功能奠定坚实基础的前景。
基因阻遏物
作者：马克·普塔什内和沃尔特·吉尔伯特
发表于1970年6月
1980年诺贝尔奖（吉尔伯特）
基因是如何被控制的？所有细胞都必须能够打开和关闭它们的基因。例如，细菌细胞可能需要不同的酶才能消化新环境提供的新食物。当简单的病毒经历其生命周期时，其基因按顺序发挥作用，指导一系列定时事件。当更复杂的生物从卵子发育而来时，它们的细胞会打开和关闭数千个不同的基因，并且这种开关在整个生物体的生命周期中持续进行。这种开关需要许多特定控制的作用。在过去的10年中，一种这样的控制机制已在分子层面上得到阐明：称为阻遏物的分子对特定基因的控制。通过对大肠杆菌和感染它的一些病毒的遗传和生化实验，主要获得了对阻遏物控制的详细理解。
阻遏物结合或附着在它所控制的基因组开头的DNA分子上，位于称为操纵子的位点，阻止RNA聚合酶将基因转录成RNA，从而关闭基因。每个独立调控的基因组都由不同的阻遏基因产生的不同阻遏物控制。
阻遏物通过充当基因和适当信号之间的中介来确定基因何时打开和关闭。这样的信号通常是一个小分子，它粘附在阻遏物上并改变或稍微扭曲其形状。在某些情况下，这种形状的变化会使阻遏物失活，也就是说，不再能够结合到操纵子上，因此基因不再被抑制；当称为诱导剂的小分子存在时，基因会打开。在其他情况下，阻遏物和小分子的复合物是活性形式；只有当称为辅阻遏物的小分子存在时，阻遏物才能结合到操纵子上。
哈佛大学的理查德·伯吉斯和安德鲁·特拉弗斯以及罗格斯大学的埃克哈德·鲍茨和约翰·J·邓恩已经表明，RNA聚合酶（在启动子处启动RNA链的合成）包含一个易于解离的亚基，该亚基是正确启动所必需的。这个亚基，即sigma因子，赋予了与之复合的酶读取正确启动子的能力。特拉弗斯已经表明，大肠杆菌噬菌体T4产生一种新的sigma因子，该因子与细菌聚合酶结合，使其能够读取原始酶-sigma复合物无法读取的噬菌体基因。这种变化解释了T4感染后事件的部分时序。
制造的第一批蛋白质是在细菌sigma因子的指导下合成的；在这些蛋白质中，有一种新的sigma因子，它指导酶读取新的启动子并制造一组新的蛋白质。这种通过改变sigma因子进行的控制可以调节大块基因。我们认为，在大肠杆菌中，存在许多类启动子，并且每一类启动子都由不同的sigma因子识别，可能与其他大小分子结合使用。
特定基因的打开和关闭最终都取决于我们在此处讨论的相同的基本要素：识别DNA分子上特定序列的能力以及响应来自环境的分子信号的能力。对阻遏物进行的生化实验证明了分子层面基因控制的第一个清晰机制。我们在这一领域的详细知识为我们探索其他机制提供了一些工具。
RNA作为酶
作者：托马斯·R·切赫
发表于1986年11月
1989年诺贝尔奖
在活细胞中，核酸DNA和RNA包含新陈代谢和繁殖所需的信息。另一方面，蛋白质是功能分子：作为酶，它们催化细胞新陈代谢所依赖的数千种化学反应中的每一种。直到最近，人们普遍接受这些类别是互斥的。事实上，细胞中信息分子和催化分子之间的分工是生物化学的一个根深蒂固的原则。然而，在过去几年中，由于发现RNA可以充当酶，这种整洁的方案已被推翻。
RNA催化的第一个例子是在1981年和1982年发现的，当时我和我的同事们正在研究来自四膜虫Tetrahymena thermophila的原生动物的RNA。令我们惊讶的是，我们发现这种RNA可以催化导致去除自身长度一部分的切割和剪接。如果可以忽略它不是蛋白质这一事实，那么四膜虫Tetrahymena RNA几乎符合酶的定义。
RNA酶的惊人发现意味着什么？第一个含义是，人们不能再假设细胞的每种催化活性背后都有一种蛋白质。现在看来，将RNA分子剪裁成最终形式的几个操作至少部分由RNA催化。此外，核糖体（蛋白质组装的细胞器）包含几个RNA分子以及各种蛋白质。核糖体的RNA（而不是其蛋白质）可能是蛋白质合成的催化剂，蛋白质合成是最基本的生物学活动之一。RNA催化也具有进化意义。由于核酸和蛋白质是相互依赖的，因此人们经常认为它们必须一起进化。RNA既可以是催化剂又可以是信息分子的发现表明，当生命起源时，RNA可能在没有DNA或蛋白质的情况下发挥作用。
在回到益生元过去之后，展望未来并推测可能在何处找到RNA催化的下一个例子是很有趣的。在所有已知的例子中，RNA酶的底物都是RNA：同一分子的另一部分、不同的RNA聚合物或单个核苷酸。这可能并非偶然。RNA非常适合与其他RNA相互作用，但更难以想象RNA与其他具有生物学意义的分子（如氨基酸或脂肪酸）形成良好的活性位点。因此，我预计未来RNA催化的例子也将涉及RNA作为底物。
我想到了两种可能性。一种涉及核内小核核糖核蛋白颗粒（snRNPs），它是细胞核中许多操作所必需的。另一种可能性是核糖体。
蛋白质合成由RNA催化的结论将是对所有细胞功能都存在于蛋白质中的观点的最终打击。当然，可能并非如此；核糖体可能是蛋白质和核酸的如此紧密的聚集体，以至于其催化活性无法完全归因于任何一种组分。然而，无论核糖体的合成活性是否可以归因于核糖体RNA，生物化学在过去五年中都发生了根本性的变化。显而易见的是，至少在某些情况下，信息携带能力和催化活性都存在于同一分子中：RNA。这种双重能力的意义才刚刚开始被理解。
[休息]地球科学：空中
地球的起源
作者：哈罗德·C·尤里
发表于1952年10月
1934年诺贝尔奖
爱琴海萨摩斯岛的阿里斯塔克斯首先提出地球和其他行星绕太阳运行——这个观点被天文学家拒绝了，直到哥白尼在2000年后再次提出。希腊人知道地球的形状和大致大小，以及日食的原因。在哥白尼之后，丹麦天文学家第谷·布拉赫从他在波罗的海赫文岛的观测站观察了火星的运动；结果，约翰内斯·开普勒得以证明火星、地球和其他行星在椭圆轨道上绕太阳运行。然后，伟大的艾萨克·牛顿提出了他的万有引力定律和运动定律，从这些定律中可以推导出对整个太阳系的精确描述。这占据了随后几个世纪一些最伟大的科学家和数学家的思想。
不幸的是，描述太阳系的起源比描述其各个部分的运动要困难得多。实际上，地球和其他行星是通过什么过程形成的？我们当时都不在那里，我可能提出的任何建议都很难被认为是绝对真实的。最多只能概述一个可能发生的事件过程，该过程不违反物理定律和观察到的事实。
在银河系空旷区域，一大片尘埃和气体云被星光压缩。 随后，引力加速了积聚过程。 太阳以某种尚不清楚的方式形成，并像今天一样产生光和热。 环绕太阳旋转的尘埃和气体云分解成湍流涡旋，形成了原行星，每个行星一个，可能在火星和木星之间较大的小行星带也各自有一个。 在这个过程的这个阶段，通过水和氨的凝结，发生了大型星子的积聚。 其中有一个相当大的星子构成了月球的主体； 还有一个更大的星子最终形成了地球。 星子最初的温度很低，但后来升高到足以熔化铁。 在低温阶段，水在这些物体中积聚，而在高温阶段，碳被捕获为石墨和碳化铁。 现在气体逸出了，星子通过碰撞结合在一起。
所以，也许，地球就是这样形成的！
但是，从那时起发生了什么呢？ 当然，发生了很多事情，其中包括地球大气层的演变。 在地球作为一个固体完成时，很可能拥有由水蒸气、氮气、甲烷、一些氢气和少量其他气体组成的大气层。 都柏林大学的 J.H.J. Poole 提出了一个基本的建议，即氢气从地球逸出导致了地球氧化性大气层的形成。 甲烷 (CH4) 和氨 (NH3) 中的氢气可能缓慢逸出，留下氮气、二氧化碳、水和游离氧。 我相信这发生了，但在游离氧出现之前，肯定出现了许多其他含有氢、碳、氮和氧的分子。 最终生命进化了，并产生了光合作用，这是植物将二氧化碳和水转化为食物和氧气的基本过程。 然后开始了我们今天所知的氧化性大气层的发展。 地球及其大气层的物理和化学演变甚至在今天仍在继续。
变化中的大气层
作者：托马斯·E·格雷德尔和保罗·J·克鲁岑
发表于 1989 年 9 月
1995 年诺贝尔奖（克鲁岑）
地球大气层从未停止变化：自地球最初形成以来，其成分、温度和自净能力都在不断变化。 然而，过去两个世纪的速度是惊人的：特别是大气层的成分变化速度比人类历史上任何时候都快。
正在进行的变化日益明显的后果包括酸雨和其他过程造成的酸沉降、材料腐蚀、城市雾霾以及保护地球免受有害紫外线辐射的平流层臭氧 (O3) 层的变薄。 大气科学家还预计，由于温室效应的增强，地球将很快迅速变暖（可能导致剧烈的气候变化）——温室效应是指地球被气体加热，这些气体吸收来自太阳照射地球表面后释放的红外辐射，然后将辐射返回地球。
当然，大气成分浓度的某些波动可能源于自然源排放速率的变化。 例如，火山可以将含硫和含氯气体释放到对流层（大气层较低的 10 到 15 公里）和平流层（大致从地表以上 10 到 50 公里处延伸）。 然而，事实仍然是，人类活动是过去 200 年来大部分快速变化的原因。 这些活动包括燃烧化石燃料（煤和石油）以获取能源、其他工业和农业实践、生物质燃烧（植被燃烧）以及森林砍伐。
如果我们假设人类活动将继续向大气中排放大量有害微量气体，那么我们对未来的预测是令人沮丧的。 人类持续不断的增长和发展不仅正在改变大气层的化学成分，而且还在将地球迅速推向史无前例的巨大气候变暖。 这种气候变化，加上各种气体浓度的增加，构成了一项潜在的危险实验，地球上的每个人都在参与其中。
特别令人不安的是，随着人类活动继续对我们尚未完全了解其内部运作以及与生物和非生物材料相互作用的大气层施加压力，可能会出现意想不到的意外。 南极臭氧洞就是一个特别不祥的例子，说明未来可能潜伏着意外。 其出乎意料的严重程度无可置疑地表明，大气层可能对看似微小的化学扰动极其敏感，而且这些扰动的表现可能比最精明的科学家所预期的还要快得多。
然而，可以采取一些措施来应对快速的大气变化，或许可以减轻已知和未知的威胁。 例如，有证据表明，大幅减少化石燃料的燃烧速度将减缓温室变暖，减少雾霾，改善能见度并最大限度地减少酸沉降。 其他措施可以针对特定气体，例如甲烷。 可以通过实施防止甲烷释放的垃圾填埋作业，以及可能通过采用浪费较少的化石燃料生产方法来减少甲烷排放。 甚至可以通过新的饲养程序来减少牛排放的甲烷。
我们和许多其他人认为，解决地球环境问题的方案在于真正的全球努力，包括科学家、公民和世界领导人前所未有的合作。 技术最发达的国家必须减少其对地球资源的过度使用。 此外，必须帮助发展中国家在提高其人口生活水平的同时，采用环境 sound 技术和规划策略，因为其人口的快速增长和对更多能源的需求是环境担忧的主要原因。 如果适当关注维护大气层的稳定性，或许现在正在发生的化学变化可以控制在能够维持地球物理过程和生态平衡的限度内。
技术：新用途 [break]
巨分子是如何制成的
作者：朱利奥·纳塔
发表于 1957 年 9 月
1963 年诺贝尔奖
一位化学家着手构建一个巨分子，就像一位建筑师设计一座建筑物一样。 他有许多具有特定形状和尺寸的构建块，他的任务是将它们组合成一个结构以服务于特定目的。 化学家在笨拙的障碍下工作，即他的构建块是不可见的，因为它们是亚微观的，但另一方面，他享受着大自然提供了指导模型的幸福优势。 通过研究生物体制造的巨分子，化学家们学会了构建像它们一样的分子。 使高分子化学现在更令人兴奋的是，几乎在一夜之间，在过去几年中，出现了将构建块组合在一起的新方法的发现——这些发现预示着从未在地球上存在过的新材料的巨大收获。
我们几乎无法想象这种新的化学将如何深刻地影响人类的生活。 巨分子在我们的物质经济中占据着非常重要的地位。 数千万男女，以及地球表面广阔的区域，都致力于天然高分子聚合物的生产，例如纤维素、橡胶和羊毛。 现在看来，可以从煤或石油中快速且经济地制造出具有同等或甚至更好性能的合成材料。 除此之外，这预示着我们将能够将现在用于生产纤维的大部分土地转用于为世界不断增长的人口生产食物。
自由基是一种可以通过加成生长聚合物的催化剂； 另一种方法涉及使用离子作为催化剂。 后者是最近的发展，在我看来，它预示着巨分子合成的革命，开辟了广阔的新视野。 阳离子方法已经产生了一些非常有趣的高分子聚合物：例如，丁基橡胶，用于轮胎内胎的合成橡胶。 但阴离子催化剂是最近的发展，已被证明更强大。 它们产生具有非凡性能的巨大、定制的分子。
1954 年初，我们在米兰理工学院工业化学研究所的小组，使用某些特殊的催化剂，成功地聚合了乙烯基家族的复杂单体。 我们能够生成非常长的链，分子量达到数百万（在一个案例中高达 1000 万）。 我们发现，通过正确选择催化剂，可以根据预定的规格控制链的生长。
我们以这种方式聚合的单体包括苯乙烯和丙烯，两者都是来自石油的碳氢化合物。 我们制造的聚丙烯说明了该方法的多功能性。 我们可以将它们合成为三种形式：等规聚丙烯、无规聚丙烯或“嵌段等规聚丙烯”，即由嵌段组成的链，一个嵌段的所有侧基排列在同一侧，另一个嵌段排列在另一侧。 等规聚丙烯是一种高度结晶性物质，具有高熔点（174 摄氏度）； 它制成非常坚固的纤维，如天然丝或尼龙的纤维。 相比之下，无规产品是无定形的，具有橡胶的弹性特性。 嵌段版本的聚丙烯具有塑料的中间特性，具有或多或少的刚性或弹性。
从相同的原材料中获得如此广泛的不同产品的可能性自然引起了极大的兴趣。 此外，新的受控工艺创造了以前无法实现的性能：例如，聚苯乙烯，以前只知道是一种具有低软化点（低于 93 摄氏度）的玻璃状材料，现在可以制备成熔点接近 238 摄氏度的坚固结晶塑料。 阴离子催化剂新发现的力量激发了欧洲和美国聚合物研究的极大活跃性。 从各种单体中制成了新的聚合物。 在我们自己的实验室中，我们合成了所有规则的聚合物，以及一些无定形的聚合物，这些聚合物可以由丁二烯制成； 一些产品像橡胶，另一些则不像。 大约在同一时间，B. F. Goodrich 公司和 Firestone Tire and Rubber 公司都宣布，他们已经从异戊二烯合成了与天然橡胶相同的橡胶——全世界的化学家为此问题徒劳地工作了半个多世纪。
在某些方面，我们可以改进自然。 正如我所提到的，我们可能会创造许多生活物质中不存在的新分子。 它们可以由简单的、廉价的材料制成。 而且，我们制造巨分子的速度比生物体通常的速度更快。 尽管自发现用于控制合成大分子的新方法以来还不到四年，但已经制造出许多新的合成物质——潜在的纤维、橡胶和塑料。
导电塑料
作者：理查德·B·卡纳和艾伦·G·麦克迪尔米德
发表于 1988 年 2 月
2000 年诺贝尔奖（麦克迪尔米德）
对于大多数人来说，这篇文章的标题在 20 年前似乎是荒谬的，当时概念上的偏见将塑料严格地归类为绝缘体。 塑料可以像铜一样导电的说法似乎更加荒谬。 然而，在过去几年中，通过对普通塑料进行简单的修改，已经实现了这些壮举。 称为导电聚合物的新材料将金属的电气特性与 20 世纪 30 年代和 40 年代引起如此兴奋的塑料的优点结合在一起。
为了使聚合物导电，通过称为掺杂的过程将少量某些化学物质掺入聚合物中。 掺杂聚合物的程序比用于掺杂经典半导体（如硅）的程序简单得多。
一旦聚合物作为导体的潜力得到证明，这个想法就流行起来。 1977 年，合成了第一种导电聚合物； 1981 年，展示了第一个带有聚合物电极的电池。 去年夏天，导电聚合物的导电性与铜相当，几个月前，第一个可充电聚合物电池上市。
随后的进展表明，可以制造出比铜导电性更好的聚合物； 确实，比室温下任何其他材料都好。 它们甚至可以在重量是限制因素的情况下（如在飞机中）取代铜线。 导电聚合物还具有有趣的光学、机械和化学特性，这些特性与其导电能力相结合，可能使其在铜无法胜任的新颖应用中有效。 例如，窗户上的薄聚合物层可以吸收阳光，并且可以通过施加电势来控制着色程度。
人体是导电聚合物有一天可能发挥作用的另一种“装置”。 因为它们是惰性和稳定的，所以一些聚合物已被考虑用于神经假体——人造神经。 特别是聚吡咯被认为是无毒的，并且可以可靠地传递适当的电荷。 此处的掺杂离子可能是肝素，一种抑制血液凝结的化学物质，已知它在聚吡咯中可以充分发挥掺杂剂的作用。 或者，聚合物可以充当体内药物输送系统，植入体内并掺杂作为药物的分子。 当聚合物通过程序化施加电势而转变为其中性状态时，药物将被释放。
在许多方面，20 世纪 80 年代中期导电聚合物的地位与 50 年前的传统聚合物相似。 尽管传统聚合物在世界各地的实验室中合成和研究，但直到它们经过化学改性（这需要数年时间才能开发出来）之后，它们才成为技术上有用的物质。 同样，如果产品要在经济上取得成功，则必须针对每种应用微调导电聚合物的化学和物理特性。 无论可能为导电聚合物找到哪些实际应用，它们肯定会在未来几年内以新的和意想不到的现象挑战基础研究。 只有时间才能证明这些新型塑料导体的冲击力是否能与它们的绝缘亲戚相提并论。
用四维方式拍摄看不见的事物
作者：艾哈迈德·H·泽韦尔
发表于 2010 年 8 月
1999 年诺贝尔奖
人眼在视觉上是有限的。 我们看不到比人类头发（毫米的分数）细得多的物体，也无法分辨比眨眼（十分之一秒）更快的运动。 当然，过去一千年中光学和显微镜技术的进步使我们能够远远超出肉眼的限制，看到精美的图像，例如病毒的显微照片或子弹在穿透灯泡的毫秒内的频闪照片。 但是，如果向我们展示一部描绘原子晃动的电影，直到最近我们都可以相当肯定地认为我们看到的是卡通片、艺术家的印象或某种模拟。
在过去的 10 年中，我在加州理工学院的研究小组开发了一种新的成像形式，揭示了发生在原子尺寸尺度和短至飞秒（百万分之一秒的百万分之一）时间间隔内的运动。 因为该技术能够进行空间和时间上的成像，并且基于古老的电子显微镜，所以我将其称为四维 (4-D) 电子显微镜。 我们已将其用于可视化诸如石墨中的碳原子片在被激光脉冲“撞击”后像鼓一样振动的运动，以及物质从一种状态到另一种状态的转变等现象。 我们还对单个蛋白质和细胞进行了成像。
尽管 4-D 显微镜是一种尖端技术，它依赖于先进的激光器和量子物理学的概念，但其许多原理可以通过考虑科学家在一个多世纪前如何开发定格摄影来理解。 特别是，在 19 世纪 90 年代，法兰西公学院的教授 Étienne-Jules Marey 通过将带有狭缝的旋转盘放置在运动物体和照相底片或胶片之间来研究快速运动，从而产生了一系列类似于现代电影拍摄的曝光。
在其他研究中，Marey 调查了下落的猫如何自行翻正，使其脚着地。 在没有任何东西可以推动的情况下，猫是如何本能地完成这种杂技表演而没有违反牛顿运动定律的？ 下落和腿部的快速摆动不到一秒钟——太快了，肉眼无法准确看到发生了什么。 Marey 的定格快照提供了答案，其中包括以相反的方向扭动后躯和前躯，同时伸出和缩回腿。
如果我们希望观察分子的行为而不是猫科动物的行为，那么我们的频闪闪光必须有多快？ 我的小组通过开发单电子成像来应对这一挑战，该成像建立在我们早期在超快电子衍射方面的工作基础上。 每个探测脉冲包含一个单电子，因此在最终电影中仅提供一个“光点”。 然而，由于每个脉冲的仔细计时和另一个称为脉冲相干性的特性，许多光点加起来形成了物体的有用图像。
单电子成像是 4-D 超快电子显微镜 (UEM) 的关键。 我们现在可以制作分子和材料在响应各种情况时的电影，就像许多受惊的猫在空中扭动一样。
我和我的同事调查了蛋白质短链通过加热蛋白质浸入的水中（所谓的超快温度跃变）折叠成螺旋的一个圈的速度有多快。 （螺旋发生在无数蛋白质中。）我们发现短螺旋的形成速度比研究人员认为的快 1000 多倍——在数百皮秒到几纳秒内出现，而不是通常认为的微秒。 了解如此快速的折叠可能会导致对生化过程的新理解，包括与疾病相关的过程。
最近，我的加州理工学院小组展示了两项新技术。 其中一项是会聚束 UEM，电子脉冲被聚焦并仅探测样品中的单个纳米位点。 另一项是近场 UEM，能够对强激光脉冲在纳米结构中产生的倏逝电磁波（“等离子体激元”）进行成像——这种现象是一种名为等离子体激元学的令人兴奋的新技术的基础。 这项技术已经产生了细菌细胞膜和蛋白质囊泡的图像，具有飞秒级和纳米级分辨率。
电子显微镜非常强大且用途广泛。 它可以以三种不同的域运行：真实空间图像、衍射图和能量谱。 它用于从材料和矿物学到纳米技术和生物学的应用，以惊人的细节阐明静态结构。 通过整合第四维度，我们将静止图片变成观看物质行为（从原子到细胞）随时间展开所需的电影。