2015 年，非洲的埃博拉疫情在化学界引起了广泛关注，药物化学家们发现自己正在与这种致命疾病进行一场争分夺秒的战斗。1 月，葛兰素史克 (GSK) 在一项针对 60 名人类志愿者的实验性疫苗测试中，发现该疫苗在所有测试者身上都引发了免疫反应。但该疫苗的有效性很快受到质疑，因为这种反应远低于猕猴身上的反应。
然而，在8 月快速推进的 VSV-ZEBOV 疫苗的 III 期试验取得成功后，人们的希望很快被重新点燃。该疫苗由加拿大公共卫生署开发，是一种含有扎伊尔埃博拉病毒一小部分的活病毒。在西非几内亚，对 100 名埃博拉患者的 4000 多名密切接触者或家庭成员进行了“环形疫苗接种”策略。所有在家庭成员被诊断出患病后立即接种疫苗的人都没有感染埃博拉。
尽管过去两年埃博拉疫苗的研究进展迅速，但首个疟疾疫苗仅在 2015 年 7 月获得批准，尽管进行了数十年的深入研究。欧洲药品管理局在对 15,000 多名儿童进行大规模临床试验后，批准了由葛兰素史克开发的疟疾疫苗 Mosquirix。但其疗效受到质疑，世界卫生组织 (WHO) 的两个委员会在 10 月建议限制其广泛使用。
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即便如此，诺贝尔委员会今年还是认可了抗疟药物的研究，屠呦呦因其在抗疟药物青蒿素方面的开创性工作而获得了一半的2015 年诺贝尔生理学或医学奖。受中国炼金术士葛洪著作的启发，屠呦呦从一种古老的草药——青蒿中提取了活性化合物。这种药物每年挽救了非洲大约 10 万人的生命。屠呦呦的获奖并非没有在她自己的国家引发争议，多年来，人们一直在争论如何分配这项发现的功劳。
另一半的诺贝尔奖颁发给了威廉·坎贝尔和大村智，他们因从日本的土壤样本中分离出抗寄生虫药物阿维菌素而获奖。这些获奖者帮助启动了一场天然产物发现的淘金热，直到今天，研究人员仍在寻找新的抗生素，因为世界正面临一场危机，根据 2014 年 12 月的一项研究，如果不加控制，到 2050 年可能会导致 3 亿人死亡。
由于自 20 世纪 80 年代后期以来，抗生素的研发管道已经枯竭，许多人可能受到了获奖者的方法的启发。我们今年报道说，美国抗菌发现中心的金·刘易斯及其同事创建了 iChip 平台，这是一种类似培养皿的容器，可以放置在土壤中，以便细菌物种在原位生长。利用 iChip，该团队发现了新型抗生素 teixobactin，这可能是自 1987 年以来发现的第一类新抗生素。
艺术化学
梵高的艺术对现代文化产生了不可磨灭的影响，但比利时的科学家发现，他的一些最著名的作品可能会随着时间的推移发生化学变化。
这位后印象派画家在他最具创造力的时期创作了 800 多幅油画，在使用鲜艳的色彩时使用了含铅颜料的混合物。然而，比利时安特卫普大学的科恩·詹森斯及其同事发现了几幅作品，这些作品中的颜料在阳光下逐渐改变颜色。
该团队首先检查了梵高《多云天空下的麦垛》中的白色小球，使用了 x 射线断层扫描技术。原来的颜料，红色铅或铅丹 (Pb3O4)，被埋在深处，周围环绕着一种奇异的矿物——碳酸铅矿，以及碳酸盐和白铅矿。分析表明，红铅在阳光下转化为碳酸铅矿，而碳酸铅矿与二氧化碳反应生成我们今天看到的白色白铅矿层。
詹森的团队还有幸研究了梵高最著名的作品之一，《向日葵》。研究人员利用 X 射线吸收近边结构光谱法，发现位于花瓣内的黄色颜料铬酸铅随着时间的推移而变暗，任何铬都从铬 (IV) 还原为铬 (III)。
自然选择
从大自然中汲取灵感也是过去一年材料化学的主题。
受到纳米比亚沙漠甲虫在干旱气候中生存能力的启发，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的彭王及其同事发现了一种低成本创建图案化超疏水表面的方法。这种沙漠甲虫在其蜡质背上收集水分，其背上有一系列亲水凸起，水被引导到其嘴里。王的团队通过使用喷墨打印机将掺有乙醇的多巴胺沉积到超疏水表面上来复制这种表面。多巴胺自聚合形成离散的亲水凸起。研究人员希望这种制造工艺能够帮助未来生产定制的润湿表面。
靛蓝彩鹀的鲜艳蓝色是其羽毛中微观结构的结果
©iStock.com
来自美国和韩国的物理学家试图理解为什么当光线干扰时，精细结构的天然和人造表面会产生紫色、绿色和蓝色，但不会产生红色。该团队使用固体微观球体的悬浮液制造出一种红色光子玻璃（一种产生与视角无关的相同颜色的结构），发现红色和蓝色波长总是同时产生，发出紫色。美国哈佛大学的维克多·马诺哈兰及其同事意识到，可以通过使用空心球来抑制这种效应，从而制造出纯红色的玻璃。马诺哈兰认为，既然他们已经掌握了结构红色的公式，这种玻璃可能会在电子纸显示器中找到用途。
但并非所有的化学家都为了技术进步而挖掘自然；有些人只是出于好奇。2015 年 3 月，一个国际化学家团队提供了一个答案，这个问题无疑也曾萦绕在许多厨师的脑海中：为什么龙虾在煮熟时会从深蓝色变成红橙色？该团队表明，与蛋白质结合的虾青素（使龙虾具有独特的深蓝色外壳）通常以带负电的烯醇负离子形式存在。一旦加热，蛋白质就会变性，释放出虾青素——一种常见的类胡萝卜素，呈红橙色。
自制海洛因
在研究成功地改造出这种酵母菌株之后，人们对犯罪分子可能利用生产鸦片的酵母菌提出了担忧。
从葡萄糖生产止痛鸦片类药物的合成途径需要 16 个步骤，研究人员一直在努力将所有这些步骤引入单一酵母菌株。2015 年 5 月，美国加州大学的约翰·杜伯领导的一个小组将酪氨酸羟化酶整合到一种酵母菌株中，该菌株可以将酪氨酸转化为 L-DOPA，这是迄今为止尚未实现的关键一步。
但在三个月后，美国斯坦福大学的一个小组改造出了一种酵母菌株，该菌株可以执行整个途径，并从葡萄糖中生产鸦片类药物蒂巴因。克里斯蒂娜·斯莫尔克及其同事将来自各种生物来源的 21 种酶混合到酿酒酵母中。斯莫尔克确认，该过程不能用于生产“自制海洛因”，因为目前的合成只能产生非常适度的产量。
碰撞路线
对龙虾好奇的化学家并不是今年唯一看到红色的研究人员。天文学家一直在试图了解冥王星红色大气层的化学性质，以及辩论围绕着不幸的菲莱着陆器对 67P 号彗星的观测结果的化学矛盾。
在欧洲航天局的罗塞塔探测器上进行了十年的旅程后，该探测器目前正在 67P 周围的轨道上运行，太阳能菲莱着陆器于 2014 年 11 月降落在彗星表面。但在着陆器完全阴影中着陆后，该航天器迅速关闭，只能获得长达 60 小时的观测结果。
来自菲莱数据的早期迹象表明，彗星表面可能存在有机分子，这可能是地球上生命如何开始的迹象。这一说法很快在 2015 年 1 月得到了大量研究活动的支持，天体化学家仔细研究了罗塞塔的初步光谱数据。1 月，负责罗塞塔可见光和红外热成像光谱仪的小组报告了 2.9µm 至 3.6µm 的宽光谱吸收带，该区域表明存在含有碳氢键和氧氢键的有机分子。然而，该小组不愿表示彗星可能将生命的基石带到了行星上，因为没有检测到氨基酸形成的关键成分——氮。
对氮的存在的质疑再次成为 7 月罗塞塔任务的中心，因为菲莱的两个仪器出现了相互矛盾的结果。彗星采样和成分仪在菲莱颠簸着陆后立即启动，在着陆器进入休眠状态之前，检测到 16 种有机分子，其中一半含有氮。其中检测到的分子包括异氰酸甲酯和乙腈，但Ptolemy 气相色谱仪和离子阱质谱仪未检测到此类信号。研究人员提出了许多关于这种差异的理论，包括仪器在着陆器上的位置，或者由于菲莱在彗星表面弹跳，无法采集到有意义的样本。
过去 12 个月变得更加清晰的一件事是冥王星大气层的化学性质。美国宇航局的新视野号探测器在近十年前被送入太空，在 2015 年 7 月捕捉到了这颗矮行星 80 英里厚的红色大气层的首批图像。美国宇航局认为，这种红色色调归因于复杂的碳氢化合物，它们凝结成被称为托林的异聚合物薄雾。 新视野号上的红外光谱仪还检测到冥王星表面存在冻结的甲烷，美国宇航局认为这种甲烷本质上是原始的。
回到学校
今年，来自捷克共和国的一组化学家回到学校，询问为什么碱金属在水中会爆炸。
广受欢迎的高中演示实验——钠水爆炸被认为是由于氢气和蒸汽的产生以及当电子从金属中释放出来时点燃而造成的。
捷克科学院的帕维尔·荣维尔特（Pavel Jungwirth）及其同事对这种解释并不满意。他们认为，金属不会与周围的水发生反应，因为最初产生的气体将充当绝缘层，而反应依赖于直接接触。为了确定发生了什么，研究人员将一块钠钾合金放入水中，并使用能够以每秒 10,000 帧速度拍摄的高速摄像机观察了随后的反应。
他们发现，电子的释放导致合金中产生过量的正电荷。这种电荷不稳定性导致金属枝晶刺穿气体层，从而使金属与水的反应得以进行。
灯光、摄像机、反应
研究人员不仅仅在揭示太空中的化学反应。在 2015 年国际光年期间，辐射也被用于研究地球上化学键的本质。
来自美国斯坦福大学的安德斯·尼尔森（Anders Nilsson）及其同事在加利福尼亚州的 Linac 相干光源（SLAC）首次直接测量了键形成过渡态。该团队研究了钌催化剂上的碳一氧化物氧化，并发射了一个光学激光脉冲来刺激反应。激发反应物后，尼尔森的研究小组发射了一个 X 射线脉冲来探测碳一氧化物和氧的结合。氧原子和催化剂之间的键合立即减弱，到 1 皮秒时，10% 的一氧化碳与氧形成了过渡态。尼尔森指出，未来的此类研究可能会将物理化学带入粒子物理学的领域。
他的预测似乎很有道理，因为越来越多的研究人员正在使用来自粒子加速器的辐射来探测键的形成（和破坏）。在尼尔森的研究一个月后，在日本 SPring-8 埃安自由电子激光装置的研究人员使用类似的 X 射线脉冲技术探测了水中三聚体金络合物（[Au(CN)2-]3）的键合。
但 6 月，SLAC 的一组科学家更进一步。迈克尔·米尼蒂（Michael Minitti）及其同事使用超高亮度 X 射线散射技术制作了他们声称是分子发生反应的首部电影。该团队研究了 1,3-环己二烯的光化学开环反应。研究人员没有向反应发射一个 X 射线脉冲，而是发射了一系列连续的脉冲来获得散射曲线的时间线。该团队通过将他们的曲线与量子力学模拟相结合，确定了所采取的反应路径。但一些研究人员，如德国自由电子激光科学中心的约亨·库珀（Jochen Küpper），质疑这样的结果是否真的能代表“分子电影”。
一些化学家并没有将光作为公正的观察者，而是在 2015 年使用光来控制键的形成。早在 6 月，我们就报道了来自以色列和德国的一个科学家团队成功地操纵了气相反应中的键的形成。来自德国卡塞尔大学的克里斯蒂安·科赫（Christiane Koch）及其同事将 1000K 的镁蒸气暴露于“啁啾”飞秒激光下。他们使用相干控制，一种通过量子干涉来控制动态过程的方法，来决定镁二聚体形成的速率。这一发现可能开启“光化学装配线”的可能性，可以按需泵出特定的分子。
机器的崛起
英国的一组计算机科学家开发了一种“机器人科学家”，这是一个完全自动化的人工智能平台，能够筛选潜在的候选药物。
机器人伊芙是亚当的升级版，亚当是第一个独立研究面包酵母——酿酒酵母并做出科学发现的计算机系统。伊芙由曼彻斯特大学的罗斯·金（Ross King）及其同事设计，可能看起来不像我们听到“机器人”这个词时所想的那样，但它仍然是计算机组和机械臂的复杂混合体。该系统能够建立假设、测试假设、解释结果并根据结果改进输入。人类干预仅需补充试剂和处理废物。
伊芙有可能每天筛选数千种候选药物，并且已经取得了一些成功。该平台将常见的抗生素 TNP-470 鉴定为可能的抗疟疾化合物。
金希望制药公司能使用计算机化科学家来简化药物开发，或者像 TNP-470 一样，找出现有药物的新用途。
照亮答案
尽管钙钛矿太阳能电池可能尚未投入生产线，但对于这项被吹捧为硅的可行替代品的技术来说，今年是重要的一年。
韩国化学技术研究所的桑·伊尔·索克（Sang Il Soek）及其同事在 2015 年初揭示了他们如何修改钙钛矿的有机金属卤化物结构以实现 20.1% 的创纪录效率。该团队混合了两种不同的光收集钙钛矿，15% 的甲基铵溴化铅和甲脒碘化铅，以产生双层电池，认为这种组合在光照下是稳定的。但它只有商业太阳能电池的一小部分大小，不到 0.1 平方厘米，一些研究人员质疑它在更现实的规模下是否稳定。
研究人员开始正面解决设备稳定性的问题，由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的迈克尔·格雷策尔（Michael Grätzel）领导的一个团队强调了效率测试的性质可能如何扭曲结果。格雷策尔的研究小组对以牺牲稳定性为代价追求更高效率感到不满，后来制造了第一个由独立测试实验室正式认可的 1 平方厘米的钙钛矿太阳能电池。为了实现这一目标，研究人员没有修改钙钛矿薄膜，而是改变了周围的 NixMg1-xO 和二氧化钛电荷提取层的晶格结构。Ni(Mg)2+ 和 Ti4+ 阳离子分别被 Li+ 和 Nb5+ 离子取代。该电池的效率为 16.2%，光伏测试界认可的更保守的测量值为 15%。
在 2015 年，水分解电解槽的效率也在不断提高。这种电化学电池可能是未来氢气生产的未来，但用于防止产物混合并引起爆炸的电极之间的膜生产成本高昂。瑞士洛桑联邦理工学院的德米特里·萨尔蒂斯（Demetri Psaltis）领导的一个团队通过创建无膜电解槽解决了这个问题。电极涂有有助于氢气和氧气析出的催化剂，它们之间仅相隔数百微米。当电解液在板之间流动时，析出的气体不会混合，因为升力将它们推回电极。该团队现在希望扩大电池的规模，用于商业应用。
随着太阳的落下，2015 年的化学研究已经结束，让我们看看 2016 年将会有什么新的亮点。
本文经《化学世界》许可转载。该文章于 2015 年 12 月 11 日首次发表。