通过催化剂改善生活？ - 彭博社

在过去的10年里，加州理工学院的马克·E·戴维斯教授在教授初学化学工程的学生之余，常常回到他的校园实验室玩弄一堆沙子。戴维斯的专长是沸石——由硅、铝和氧组成的颗粒，作为石油精炼中的催化剂。原油分子进入沸石中成千上万的小孔，与酸反应并分解成汽油、取暖油和各种副产品。戴维斯的目标是创造催化剂的合成，每年节省2200万桶石油，并将美国的贸易赤字减少超过4亿美元。

这一前景以及其他收益点燃了全国化学实验室的热情。几十年来，新催化剂的开发主要依靠试验和错误。科学家们知道它们有效，但并不理解其原理。然而，最近实验设备的进步，例如扫描隧道显微镜，首次让人们看到了催化材料表面上单个原子的排列方式。

这一知识正在将长期以来的艺术转变为旨在为特定任务设计催化剂的科学。这可能最终导致许多进步，包括神奇的新药物、“纳米级”计算机电路和更高效的太阳能设备。而且，“设计催化剂”不仅仅是清理污染，可能还会在一开始就避免污染。“我们现在可以设计催化剂，只生产一种产品——而不产生污染副产品，”加州山景城催化剂制造商Catalytica Inc.的总裁詹姆斯·A·库苏马诺说。

黄金时代？催化剂是化学的婚介：它们帮助在其他材料中形成新的化学键，以制造所需的产品，然后以未改变的状态出现，准备重新开始。以这种方式制造的产品已经占美国国民生产总值的约四分之一。工业催化剂将化学物质转化为从塑料到油漆再到药物的各种产品。而生物催化剂，称为酶，帮助制造食品、饮料和洗涤剂。现在，最新的进展表明，催化剂的全盛时期可能就在前方。

沸石就是一个例子。自然界的品牌是从岩石采石场中挖掘出来的。但像戴维斯这样的化学家正在从不同的材料中结晶出新的品种。例如，获得更大孔洞以处理重油的一种方法是用磷替代沸石结构中的硅。目前，这种被称为分子筛的材料无法承受精炼过程中的压力和热量。因此，戴维斯正在尝试用更坚固的硅制造大孔筛。他和其他人还在设计沸石膜，通过一步分离油产品来简化精炼过程。目前，能量密集型的蒸馏塔将油蒸发并冷却产生的气体，以分离各种产品。

沸石还可以完成许多其他工作。它们正在取代污染的磷酸盐，作为洗衣粉中的水软化剂，在那里它们充当微小的海绵，吸收使水变硬的矿物质。同时，一些科学家希望将筛子转变为微型电子和光学设备。一个目标是制造化学传感器，当特定气体或污染物的分子进入其孔中时触发警报。多伦多大学的化学家杰弗里·奥津表示，另一个用途可能是容纳微型半导体晶体管或开关，这些晶体管或开关在电子和光学性能上优于今天的半导体。

命中名单。但是尽管它们种类繁多，沸石无法与酶的精确度相匹敌。这些生物催化剂影响着体内所有的化学反应——以及一些体外的反应。例如，酶分解碳水化合物和处理糖的能力有助于制作食品、饮料和去污剂。而现在，酶正在找到一些更为奇特的用途。

Celgene Inc.是一家位于新泽西州沃伦的生物技术公司，建立了一个包含7000种微生物或含有酶的微生物的库。在这些微生物中，有一种细菌可以攻击氯甲烷，这是一种在环境保护局的最想要名单上的致癌物质。将其放置在工厂废水流中的生物反应器中——到目前为止在一家通用电气公司的工厂——这些微生物将毒素转化为二氧化碳、水和盐。

Celgene还在利用酶来净化药物。许多药物中的关键分子存在两种略有不同的形式，每种形式可能具有截然不同的效果。通常作为镇静剂的沙利度胺所导致的出生缺陷，可能源于其中一种变体。消除不良形式通常是困难且昂贵的。但Celgene发现了可以快速且廉价完成这一工作的酶。Celgene表示，以这种方式净化药物的市场在十年内可能超过30亿美元。

一个更为戏剧性的进展是工程化的抗酶，或催化抗体。这项技术赋予抗体——抗击疾病的蛋白质——增强化学反应的能力，就像酶一样。由于抗体可以被定制以附着于几乎任何分子，抗酶可以使科学家能够改变体内几乎任何化学反应。“一旦你能够定制酶，”加州大学伯克利分校的化学家彼得·G·舒尔茨说，“你就有了更多治愈疾病的机会。”到目前为止，已经开发了大约50种抗酶，其中一种可能通过修复紫外线造成的DNA损伤来对抗皮肤癌。

与此同时，科学家们正在利用光和声作为催化剂。在光合作用中，阳光作为催化剂，促使含有叶绿素的细胞为植物制造食物。现在，亚利桑那州立大学和阿贡国家实验室的研究人员，举两个例子，正接近捕捉这种分子活动所产生的能量。亚利桑那州立大学的教授德文斯·古斯说：“我们拥有的是一种太阳能电池，原则上，你可以用它驱动任何你想要的东西。”

在另一种光催化形式中，来自科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室和来自新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室的科学家们正在净化被溶剂三氯乙烯污染的地下水，三氯乙烯用于清洁机械。水通过含有二氧化钛晶体的管道流动。阳光与晶体反应，将污染物降解为无害的产品。国家可再生能源实验室的项目负责人哈尔·林克指出，现有的地下水清洁方法仅仅是将毒素转移到过滤器或空气中。

科学家们甚至在寻找高频声波或超声波来促进催化反应。当这种声音通过液体辐射时，它会导致气泡在几分之一秒内膨胀和崩溃。这会产生温度高达太阳表面的微小点——9600华氏度——以及等同于海底的压力。这些条件可能使催化剂在许多生产过程中更有效。实际上，伊利诺伊大学香槟分校的化学家肯尼斯·S·萨斯利克已经使用超声波制造出更纯的“非晶”铁。非晶金属用于磁记录头和作为耐腐蚀涂层。

从石油到超声波，催化剂已经走过了很长的路。随着化学家们对催化剂的工作原理了解得越来越多，并逐渐接近从零开始设计催化剂，他们将构建的不仅仅是沙堡。