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機器學(xué)習(xí)在化學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用

人工智能逐漸滲透到我們生活的方方面面，這已是不爭的事實，而人工智能在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也是化學(xué)家們關(guān)注的焦點。在2018年，多項研究展現(xiàn)了人工智能的一個分支——機器學(xué)習(xí)在化學(xué)研究中的潛力。例如麻省理工學(xué)院Heather J. Kulik教授帶領(lǐng)的研究小組利用機器學(xué)習(xí)鑒別出可以用于傳感器等光電器件的無機化合物[1]。美國SLAC國家加速器實驗室的研究人員利用機器學(xué)習(xí)尋找新型合金[2]。化學(xué)企業(yè)Symrise則與信息技術(shù)領(lǐng)域的巨頭IBM合作，利用機器學(xué)習(xí)尋找新的芳香化合物[3]。

在剛剛過去的一年，化學(xué)工作者們不僅利用機器學(xué)習(xí)尋找有價值的新物質(zhì)，也利用這一技術(shù)來改進現(xiàn)有的理論化學(xué)工具。例如加州理工學(xué)院Thomas F. Miller教授及合作者在2018年發(fā)表的研究表明，機器學(xué)習(xí)能夠更好地預(yù)測分子的電學(xué)性質(zhì)[4]。佛羅里達大學(xué)Adrian E. Roitberg教授帶領(lǐng)的研究團隊則展示了如何利用機器學(xué)習(xí)更好地計算分子間的作用力和能量[5]。

受益于機器學(xué)習(xí)的不僅是理論化學(xué)工作者，也包括實驗化學(xué)家。例如普林斯頓大學(xué)Abigail G. Doyle教授與默克公司的研究人員合作，利用機器學(xué)習(xí)對一種氨基化反應(yīng)的條件進行了優(yōu)化[6]。任職于韓國蔚山科學(xué)技術(shù)大學(xué)和波蘭科學(xué)院的Bartosz Grzybowski則開發(fā)出一款名為Chematic的軟件，可以自動設(shè)計化學(xué)合成的方案。測試表明，對于同樣的目標產(chǎn)物，這款軟件計算的合成路線并不比已有的方案差。例如對于某種藥物分子的合成，現(xiàn)有方案通過7步反應(yīng)達到24%的總產(chǎn)率，而軟件提供的路線通過4步合成達到22%的產(chǎn)率[7]。加拿大多倫多大學(xué)的Alán Aspuru-Guzik教授則開發(fā)出一款名為ChemOS的軟件，利用機器學(xué)習(xí)來完全獨立自動地運行化學(xué)實驗[8]。

眾多的突破讓化學(xué)家們對機器學(xué)習(xí)的潛力充滿期待，不過也有一些研究人員對《化學(xué)化工新聞》表示，目前化學(xué)界對于人工智能的熱情有些過高，適當降降溫也不是壞事[9]。

相關(guān)論文和報道：

[1] Jon Paul Janet et al. The Journal ofPhysical Chemistry Letters, 2018, 9, 1064-1071

[2] Fang Ren et al. Science Advances, 2018,4, eaaq1566

[3] https://cen.acs.org/analytical-chemistry/big-data/Symrise-IBM-use-AI-fragrance/96/i45

[4] Matthew Welborn et al. Journal ofChemical Theory and Computation, 2018, 14, 4772-4779

[5] https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/Machine-learning-offer-chemists-fast/96/i34

[6] Derek T. Ahneman et al. Science, 2018,360, 186-190

[7] TomaszKlucznik et al. Chem, 2018, 4,522-532

[8] https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/New-software-run-lab-future/96/i13

[9] https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/machine-learning-overhyped/96/i34

尋求塑料污染問題的解決方案

廢棄塑料引發(fā)的白色污染一直是困擾人類的大問題。在2018年，這一問題繼續(xù)成為監(jiān)管部門、科研人員和商業(yè)機構(gòu)關(guān)注的熱點。新年伊始，中國政府宣布限制塑料垃圾的進口，這迫使習(xí)慣于將廢舊塑料送到中國處理的歐美國家不得不采取一系列新的舉措應(yīng)對塑料引發(fā)的環(huán)境問題。例如在2018年，歐盟做出承諾，到2030年，歐洲國家塑料包裝材料的回收利用率將從現(xiàn)在的30%提高到55%[10]. 歐盟還準備禁用10種一次性塑料制品[11]。

塑料回收中的一個老大難是聚苯乙烯的回收。聚苯乙烯經(jīng)常用作餐具或者包裝材料。由于其輕質(zhì)且容易沾染食物殘渣等特點，聚苯乙烯很難通過常規(guī)的機械回收進行再利用。在2018年，多家企業(yè)聯(lián)手，通過裂解、溶劑溶解等新型手段來對聚苯乙烯進行回收，希望能夠提高這一重要塑料的回收率[12]。

在2018年，學(xué)術(shù)界對于解決白色污染也做出了不少貢獻。來自加州大學(xué)爾灣分校的華人科學(xué)家關(guān)志斌（音）開發(fā)出一種新型熱固性塑料。傳統(tǒng)的熱固性塑料只能一次性使用，不能被反復(fù)加工，因此造成嚴重的資源浪費，而這種新型熱固性塑料由于特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在高溫下可以再次成型，無疑有助于破解熱固性塑料回收的難題[13]。

來自美國科羅拉多州立大學(xué)的華人科學(xué)家陳有賢（音）則致力于解決熱塑性塑料回收中存在的問題。與熱固性塑料不同，熱塑性塑料理論上可以被無限次地再加工，因此可以實現(xiàn)資源的循環(huán)使用。但實際上在回收過程中，熱塑性塑料會逐漸發(fā)生降解，導(dǎo)致機械性能下降。針對這一問題，陳教授帶領(lǐng)的研究小組開發(fā)出一種新型塑料，它的性能與常見的熱塑性塑料相仿，但獨特之處在于在特定的條件下可以完全分解為對應(yīng)的單體，這些單體隨后可以重新聚合得到塑料[14]。這樣一來，塑料的機械性能就可以在反復(fù)回收中保持穩(wěn)定。

科羅拉多大學(xué)陳有賢教授開發(fā)的新型塑料能夠在適當?shù)臈l件下完全降解為單體，從而避免了現(xiàn)有塑料回收中的一些問題

相關(guān)論文和報道：

[10]https://cen.acs.org/articles/96/i12/-fantastic-plastic-Europe-ready.html

[11] https://cen.acs.org/environment/pollution/Europe-ban-single-use-plastics/96/i23

[12] https://cen.acs.org/business/start-ups/New-ventures-try-again-recycle/96/i20

[13] William A. Ogden and Zhibin Guan,Journal of The American Chemical Society, 2018, 140, 6217-6220

[14] Jian-Bo Zhu et al. Science, 2018, 360,398-403

揭開固體催化劑的秘密

固體催化劑在化工生產(chǎn)中扮演著不可替代的角色，然而這些催化劑究竟是如何起作用的，我們很多時候仍然不清楚。如果能夠更好地了解固體催化劑的作用機制，我們就有可能開發(fā)出更加高效的催化劑，從而為節(jié)約資源和保護環(huán)境做出貢獻。而在剛剛過去的一年中，不少研究人員正是循著這個思路取得了可喜的成績。

2018年與催化有關(guān)的一項重要研究來自過氧化氫的生產(chǎn)。作為重要的氧化劑、漂白劑和消毒劑，過氧化氫每年的產(chǎn)量高達近500萬噸。目前使用的過氧化氫的生產(chǎn)工藝步驟多且能耗大。人們一直希望能夠直接通過氫氣和氧氣的反應(yīng)來得到過氧化氫，但二者直接反應(yīng)的產(chǎn)生卻是水。

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員利用X射線吸收光譜來觀察鉑的納米顆粒如何催化氫氣與氧氣的反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，當氫氣與氧氣的比例在0.5-2.0之間時，氫氣會將金屬鉑轉(zhuǎn)化為氫化鉑的α形態(tài)，后者能夠催化過氧化氫的生成。但如果氫氣與氧氣的比例進一步增加，鉑會與氫氣形成β形態(tài)的氫化鉑，最終反應(yīng)產(chǎn)物為水[15]。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，他們大大提高了將氫氣與氧氣直接轉(zhuǎn)化為過氧化氫的產(chǎn)率。

鉑納米顆粒（左）和兩種不同形式的氫化鉑（中、右）

另一種重要的化工原料醋酸也成為催化領(lǐng)域研究人員的關(guān)注對象。全球醋酸年產(chǎn)量約1400萬噸，目前的生產(chǎn)工藝需要使用高達1000℃的高溫。

美國堪薩斯大學(xué)的華人學(xué)者陶峰（音）帶領(lǐng)的團隊將金屬銠的離子填充到沸石這種多孔材料的微觀孔洞中，由此得到的催化劑僅僅需要150℃的溫度，就可以將甲烷、一氧化碳和氧氣轉(zhuǎn)化為醋酸。

這種催化劑如果能夠得到推廣，無疑可以節(jié)約大量的能源[16]。這一團隊隨后還發(fā)現(xiàn)，基于銠的催化劑能夠在室溫條件下將甲烷和過氧化氫轉(zhuǎn)化為醋酸，從而為這一重要化工產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了另一條思路。

相關(guān)論文和報道：

[15] Manuel Selinsek et al. ACS Catalysis,2018, 8, 2546-2557

[16]Yu Tang et al. Nature Communications,2018, 9, 1231

新研究為失聰患者帶來希望

2018年也見證了聽力恢復(fù)領(lǐng)域的新進展。在2017年年末，來自哈佛大學(xué)的研究人員利用目前風(fēng)頭正勁的基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9成功地在小鼠中防止了由于基因突變導(dǎo)致的聽力受損[17]，從而為這一領(lǐng)域的研究注入活力。在2018年，另一組來自哈佛大學(xué)的研究人員確認，此前研究中被編輯的基因，其編碼的蛋白質(zhì)TMC1在感受聽覺的過程中起到關(guān)鍵作用，能夠?qū)⒙暡ㄞD(zhuǎn)化為電信號。在這項研究中，化學(xué)起到了重要的作用。研究人員嘗試對TMC1進行化學(xué)修飾，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)改變后，脊椎動物耳中一種名為毛細胞的細胞將機械振動轉(zhuǎn)化為電信號的過程會受阻，從而確認了TMC1在產(chǎn)生聽覺這一過程中的作用[18]。業(yè)內(nèi)人士表示，這一進展對于全世界4億聽力受損的患者無遺是大好消息。

同樣是在2018年，來自美國圣祖德兒童研究醫(yī)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，一些小分子化合物能夠治療小鼠的聽力損傷[19]。雖然這一研究主要是關(guān)注于治療抗癌藥順鉑引起的聽力受損，但業(yè)內(nèi)人士指出，這些化合物或許也可以用于治療由于其它原因喪失聽覺的患者。

來自美國圣祖德兒童研究醫(yī)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種代號為AZD5438的化合物能夠保護小鼠不受抗癌藥順鉑導(dǎo)致的聽力損傷

相關(guān)論文和報道：

[17] Xue Gao et al. Nature, 2018, 553, 217-221

[18] Bifeng Pan et al. Neuron, 2018, 99,736-753

[19] Tal Teitz et al. Journal ofExperimental Medicine, 2018, 215, 1187-1203

廉價太陽能電池的性能創(chuàng)下新紀錄

為了利用廉價的材料高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，無數(shù)研究人員一直孜孜以求。在剛剛過去的一年，這一領(lǐng)域可謂捷報頻傳。其中主要的突破來自于近年來頗為熱門的鈣鈦礦型太陽能電池。這一類太陽能電池所依賴的有機金屬鹵化物具有ABX3化學(xué)通式，晶體結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦（CaTiO3）相同，這也就是其名稱的來由。在2018年6月，由英國牛津大學(xué)研究人員參與創(chuàng)辦的企業(yè)“牛津光伏”(Oxford PV)宣布，他們將鈣鈦礦型太陽能電池與傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池串聯(lián)后得到的太陽能電池，其效率經(jīng)獨立的第三方機構(gòu)認證，高達25.2%[20]。這一記錄超過了這兩種太陽能電池分別達到的最高效率。這種太陽能電池底部是傳統(tǒng)的晶體硅太陽能電池，在其上方是新型的鈣鈦礦型太陽能電池。兩種太陽能電池的結(jié)合使得整個裝置能夠吸收利用范圍更寬的太陽光。僅僅數(shù)周后，牛津光伏就打破了自己創(chuàng)造的記錄，用同樣類型的串聯(lián)太陽能電池達到27.3%的效率[21]。

由晶體硅太陽能電池和鈣鈦礦型太陽能電池串聯(lián)組成的太陽能電池

同樣在2018年，我國研究人員成功在串聯(lián)有機太陽能電池中實現(xiàn)了17.3%的轉(zhuǎn)化效率。此前有機太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率只能達到14%，來自我國南開大學(xué)和國家納米科學(xué)中心的研究人員通過理論計算，找到了更為合適的材料，并將其合成出來，從而書寫了有機太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的新紀錄。相關(guān)論文發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》上[22]。

來自我國的研究人員利用這兩種新型有機化合物，成功提高了有機太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率

美國圣母大學(xué)的太陽能電池研究者Prashant V. Kamat表示，2018年太陽能電池領(lǐng)域取得的成就著實令人振奮，但他也同時指出，無論是鈣鈦礦型太陽能電池，還是有機太陽能電池，穩(wěn)定性仍然是有待解決的問題。如果這兩類太陽能電池的長期穩(wěn)定性能夠得到改善，必將帶來更多的商業(yè)應(yīng)用。

相關(guān)論文和報道：

[20] https://cen.acs.org/energy/solar-power/Perovskite-progress-pushes-tandem-solar/96/i24#

[21] https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-world-record-perovskite-solar-cell

[22] Lingxian Meng et al. Science, 2018,361, 1094-1098

全球氣候變暖：再不采取行動就真的來不及了

2018年10月，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布報告稱，為了達到巴黎協(xié)議確定的將氣溫上升控制在工業(yè)化前水平以上1.5oC以內(nèi)的目標，各國必須采取行動。到2030年，二氧化碳凈排放水平必須相比2010年下降45%；到2050年，二氧化碳的凈排放量必須降為零[23]。這意味著我們不僅需要采取措施減少二氧化碳排放，還必須大力發(fā)展碳捕集與封存技術(shù)，將二氧化碳從大氣中移除出去。同年11月，美國全球氣候變化研究項目(US Global Change Research Program) 發(fā)布了《第四次國家氣候評估》的第二卷，其中預(yù)測了氣候變化給美國帶來的災(zāi)難性后果，包括10%的經(jīng)濟損失[24]。

在過去的一年中，多項研究還表明，不斷升高的大氣中二氧化碳濃度除了會導(dǎo)致地表溫度上升，還可能會帶來更加復(fù)雜的影響。例如來自美國南加州大學(xué)的一項研究表明，氣候變暖會促進海洋中細菌的固氮能力，這會使得目前海洋中一些由于缺乏氮元素而貧瘠的區(qū)域變得更有生機，但對生態(tài)系統(tǒng)總的影響則不清楚[25]。在此前的研究中，人們已經(jīng)知道大氣中二氧化碳濃度的增加會導(dǎo)致農(nóng)作物中營養(yǎng)含量的下降。來自哈佛大學(xué)的研究人員據(jù)此進行了預(yù)測，結(jié)果表明，如果保持現(xiàn)有碳排放的增長趨勢，到2050年，全球會有更多的人口遭受營養(yǎng)不良[26]。

來自哈佛大學(xué)的研究人員預(yù)測了氣候變化導(dǎo)致的營養(yǎng)不良的風(fēng)險的增加

另外值得一提的是，2018年的諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎頒發(fā)給了美國耶魯大學(xué)的威廉·諾德豪斯和紐約大學(xué)的保羅·羅默，其中諾德豪斯的獲獎理由是“將氣候變化整合到長期的宏觀經(jīng)濟分析中”，這也體現(xiàn)了氣候變暖問題所受到的關(guān)注。

相關(guān)論文和報道：

[23] https://www.ipcc.ch/sr15/

[24] https://nca2018.globalchange.gov/

[25] Hai-Bo Jiang et al. Nature ClimateChange, 2018, 8, 709-712

[26] Matthew R. Smith and Samuel S. Myers,Nature Climate Change, 2018, 8 , 834-839

科學(xué)家發(fā)掘微生物與人類健康之間的更多聯(lián)系

在過去的一年，科學(xué)家們進一步發(fā)掘生活在我們體表和體內(nèi)的不計其數(shù)的微生物與我們健康之間的復(fù)雜關(guān)系。下面列出的是幾項有代表性的工作：

人們一直認為，在人體體內(nèi)和皮膚表面生存的微生物對人體即便不是有益，也至少是無害的，然而來自英國謝菲爾德大學(xué)的一項研究卻改變了這一看法。研究人員在小鼠中進行的實驗表明，皮膚表面一種名為藤黃微球菌的細菌能夠促進金黃色葡萄球菌產(chǎn)生感染，甚至已經(jīng)死去的藤黃微球菌同樣能夠帶來這種促進作用[27]。

另外一些研究則關(guān)注抗生素對于體內(nèi)微生物的干擾。來自丹麥的研究人員發(fā)現(xiàn)，即便是短期的抗生素使用，腸道內(nèi)某些細菌仍然需要長達六個月的時間才能恢復(fù)正常水平[28]。來自英國的研究人員則發(fā)現(xiàn)，服用抗生素對于腸道內(nèi)微生物的干擾會擾亂巨噬細胞這種免疫細胞的正常功能，從而可能導(dǎo)致炎癥的發(fā)生[29]。

不僅服用抗生素會影響我們體內(nèi)的微生物，遷居到別的國家也可能會造成類似的影響。來自美國的一項研究表明，那些從東南亞移民到美國的人，腸道內(nèi)微生物的多樣性會下降，這可能會導(dǎo)致肥胖等健康問題[30]?？磥硇乱泼褚鎸Φ牟粌H有工作、生活上的諸多挑戰(zhàn)，還有健康上的隱患。

相關(guān)論文和報道：

[27] Emma Boldock et al. NatureMicrobiology, 2018, 3, 881-890

[28] Albert Palleja et al. NatureMicrobiology, 2018, 3, 1255-1265

[29] Nicholas A. Scott et al. ScienceTranslational Medicine, 2018, 10, eaao4755

[30] Panjau Vangay et al. Cell, 2018, 175,962-972

測定晶體結(jié)構(gòu)的新方法

測定一種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)是了解這種物質(zhì)性質(zhì)必不可少的環(huán)節(jié)。長期以來，X射線晶體衍射一直是測定晶體結(jié)構(gòu)的“金標準”，但要想用X射線測定晶體結(jié)構(gòu)，我們首先必須得到尺寸足夠大的晶體，而這對于許多物質(zhì)來說絕非易事。由于電子與晶體中原子的作用更強，因此通過電子衍射，理論上我們可以用更小的晶體來測定結(jié)構(gòu)。事實上，利用電子顯微鏡來探測生物大分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)在近年來發(fā)展非常迅速，就在2017年，三位科學(xué)家正是因為在這一領(lǐng)域的貢獻獲得了當年的諾貝爾化學(xué)獎，但似乎并沒有人想到用類似的技術(shù)來測定小分子的晶體結(jié)構(gòu)。

在2018年，這一被忽視很久的空白終于得到了填補。來自瑞士保羅謝爾研究所的一個研究小組，以及來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校和加州理工學(xué)院的研究人員，分別獨立地報道了利用電子衍射來測定小分子化合物的晶體結(jié)構(gòu)[31, 32]。與X射線衍射相比，電子衍射所需的晶體尺寸更小——X射線晶體衍射通常要求晶體尺寸至少達到5微米，而對于電子衍射來說，晶體尺寸只需100納米就夠了。因此，通過電子衍射，研究人員可以更好地鑒別那些不易形成較大晶體的物質(zhì)。雖然與X射線晶體衍射相比，利用電子衍射測定晶體結(jié)構(gòu)還存在一些局限和待解決的問題，但業(yè)內(nèi)人士對于這一新技術(shù)的前景都充滿信心，相信它將會為小分子化合物的結(jié)構(gòu)分析書寫新篇章。

電子衍射使得我們可以從尺寸極小的晶體中鑒定出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。圖中圓孔的直徑約為2微米

相關(guān)論文和報道：

[31] Tim Gruene et al. Angewandte ChemieInternational Edition, 2018, 57, 16313-16317

[32] Christopher G. Jones et al. ACSCentral Science, 2018, 4, 1587-1592

破解電子煙風(fēng)行的原因

根據(jù)美國政府統(tǒng)計，近年來，電子煙在青少年中愈發(fā)流行，其中一家名為Juul的公司生產(chǎn)的電子煙尤為受歡迎。調(diào)查表明，Juul品牌的電子煙之所以受歡迎，主要歸功于產(chǎn)品獨特的設(shè)計以及香煙口味，不過美國波特蘭州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，化學(xué)也是一個重要的原因。

研究人員利用核磁共振分析了不同電子煙產(chǎn)品其液體中游離堿形式的尼古丁和質(zhì)子化形式的尼古丁的比例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Juul品牌的電子煙中游離堿形式的尼古丁含量最低，而這種形式的尼古丁吸入后會對喉嚨造成刺激。這應(yīng)該是Juul牌電子煙更受青睞的原因[33]。

目前許多電子煙還被用來供使用者吸入大麻二酚(CBD)。大麻二酚是醫(yī)用大麻中重要的成分，目前在美國大多數(shù)州都被允許治療失眠、疼痛等癥狀。美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的研究人員Justin L. Poklis接到報料稱，某些電子煙中的大麻二酚不純。通過使用質(zhì)譜手段，他和同事在一些含有大麻二酚的電子煙中發(fā)現(xiàn)了一種名為5F-ADB的合成大麻素。據(jù)報道，這種物質(zhì)能夠影響人的精神狀態(tài)。這一研究小組還在某些電子煙產(chǎn)品的大麻二酚中發(fā)現(xiàn)了常被濫用的止咳藥物右美沙芬[34]。業(yè)內(nèi)人士表示，如果這些物質(zhì)是生產(chǎn)廠家有意添加進去的，那將會是一個危險的信號。

相關(guān)論文和報道：

[33] Anna K. Duell et al. Chemical Researchin Toxicology, 2018, 31, 431

[34] Justin L. Poklis et al. ForensicScience International. 2018, DOI: 10.1016/j.forsciint.2018.10.019

原文：http://cen.acs.org/analytical-chemistry/CENs-Year-Chemistry-2018/96/i49

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