“不太化學”的諾貝爾化學獎,今年將花落誰家?

2021年10月06日11:51

  來源:中國科普博覽

  諾貝爾化學獎向來“慷慨大方”,常常把獎發給跟生物或者物理沾邊的成果,各國化學家苦“秦”久矣,然而諾獎委員會仍然是“我行我素”。

  不過,這種趨勢倒是很好地說明了化學家們都是萬金油,在各行各業都能發光發熱。

  今年諾貝爾化學獎會花落誰家?

  我們今天就來大膽做一波預測,看看下面這些研究能否在今年斬獲桂冠,雖然其中仍然有個別成果,算不上那麼的“化學”。

  Part.1

  “老樹發新芽”的可控自由基聚合

  “可控自由基聚合”是真正意義上的化學研究,它解決了一個困擾化學界上百年的問題:如何讓狂放不羈的自由基聚合反應成為溫順的“小綿羊”?

  自由基,是化合物分子在光熱等外界條件下,內部的共價鍵發生均裂,從而形成具有不成對電子的原子或者基團,它具有極高的反應活性。所謂自由基聚合,是指利用自由基實現有機物聚合的化學反應,同時也是生產高分子聚合物材料最為常見的形式。人類合成的所有高分子聚合物中,利用自由基聚合方式生產的產品超過三分之一。

  為什麼自由基聚合最常見?

  道理很簡單,自由基聚合起來特別容易,在水中就能夠進行,反應成本低,並且產率還高。

  我們以最常見的自由基聚合單體——乙烯為例來對自由基聚合反應的原理進行簡要的說明。

  乙烯的分子結構非常簡單,兩個碳原子間形成雙鍵,再各自拖著兩個氫原子。正常情況下乙烯比較穩定,不會自行分解,碳碳雙鍵更是不會自行斷開。不過,一旦有自由基出現在整個體系中,碳碳雙鍵就可能受到自由基的“進攻”,從而發生斷裂。

  當然,斷裂的結果並不是雙鍵同時斷開,而是其中一條保留成碳碳單鍵,另一條則斷開,最後在兩個碳原子上各自形成一條半鍵。而這兩個半鍵,正好又形成了新的自由基。

  新的自由基又會跑去進攻其它雙鍵,最後的結果就是大家的雙鍵統統斷裂,然後以單鍵的形式連接起來,形成很長的鏈式分子。

  不過,自由基在體系內最初是不存在的,因此我們需要“製造”一點自由基,以便讓它作為“引線”,引爆之後的聚合反應。

乙烯分子、聚乙烯單體和帶有支鏈的聚乙烯分子(圖片來源:作者自製)
乙烯分子、聚乙烯單體和帶有支鏈的聚乙烯分子(圖片來源:作者自製)

  生產聚乙烯時,常見的引物是碘單質。碘單質有個特點,因為它自身是雙原子分子,單個原子半徑又很大,因此兩個原子中間的共價鍵連接不是非常緊密。好比是兩個大胖子面對面手拉手,結果肚子太大,做不到非常“緊密”。

  光照下的碘單質特別容易分解出自由基,而乙烯並不挑肥揀瘦,不論自由基是來自碘還是來自其它乙烯分子,它統統能收入囊中。

  聚合反應隨即啟動,乙烯分子們的雙鍵不停斷裂,又不停地和其它斷裂後的自由基相連,最後大家就聚合成了一個大分子。乙烯的聚合反應發生速度非常快,只要一秒鍾的時間,就能讓成千上萬個分子聚合在一起。

  最後,開始作為引物的碘單質雖然也連接進了聚乙烯分子,但是畢竟只是起到催化劑作用,相比乙烯分子數量很少,不會影響產物純度。

自由基聚合的典型反應示例
自由基聚合的典型反應示例

  看到這裏,你可能會覺得,聚合反應這麼簡單,過程酣暢淋漓,簡直就是完美反應。

  然而,自由基聚合反應的缺點就在於它進行得實在太快,而且中間的細微過程完全不受控制。

  首先,各種聚合物到最後並非形成一個大分子,而是很多個鏈狀分子形成的網絡。每個鏈中,包含的平均單體分子數目叫做平均聚合度。普通的聚合反應中,各鏈之間,聚合度變化很大,有些鏈特別長,有些鏈則沒幾個單體就斷開了。

  其次,更讓人撓頭的是,由於瞬間產生的自由基太多,有些單體帶著自由基瞎跑亂竄,結果可能會把本來連得好好的直鏈接的亂七八糟,縱橫交錯。

  聚合物在結構上有個特點,單體排列越規整,各鏈間分子量差距越小,密度就越大,強度也就越高。

  還是以聚乙烯為例,日常生活中低密度的聚乙烯呈現透明狀,質輕而成本低,常常作為超市食品稱重前的包裝。而高密度聚乙烯則呈現乳白色,成本跟強度相對高一些,常常作為購物袋使用。

  也就是說,如果能夠把自由基聚合的過程控制好,讓反應順著人們的意誌和設計進行,我們就能夠得到各種各樣符合期望的產品,高分子聚合物的種類也可能大大增加。這一願望是美好的,但是它實在是簡約而不簡單,人類一直到90年代中期才實現這一美好的願望。

  1995年,剋日什托夫·馬蒂亞謝夫斯基提出了原子轉移自由基聚合(ATRP)。同期日本京都大學的澤本光男也獨立提出了類似的反應概念。此後,埃齊奧·里紮多也提出了可逆加成斷裂鏈轉移(RAFT)和氮氧化物介導自由基聚合(NMP)。

  這些反應的具體機理當然都比較複雜,但是他們的出發點都是降低自由基聚合反應的速率,讓其處於可控狀態。

  原理上來說,可控自由基聚合反應中,往往要在聚合物體系中額外添加一些特殊的化合物,它能與活性種鏈自由基進行可逆的鏈終止或鏈轉移反應。說白了就是,自由基被這種特殊的化合物給纏上了,沒法像以前一樣自由地到處亂紮,但是它並非完全失去自由,而是在這種化合物的引導和安排下進行反應。

普通自由基聚合形成的支鏈結構(左)和可控自由基聚合形成的規整結構(右)
普通自由基聚合形成的支鏈結構(左)和可控自由基聚合形成的規整結構(右)

  最終的結果就是,可控自由基聚合反應可以根據人的意誌生成各種不同聚合度的分子,同時還可以調控分子結構,避免形成雜亂的支鏈,而是形成彼此長度接近的直鏈。

  此外,它還給新型分子結構的設計帶來了極大的自由。例如,我們可以以某個球形結構為中心,讓長度高度一致的長線狀的分子像刺蝟一樣從球面上長出來。

  聚合反應不可控的時代,這類分子很難製作,因為分子的長度不一,朝向也歪七扭八,想做個刺蝟結果卻成了隨機線團。

  可控自由基聚合的技術路徑一經提出,立刻吸引了全球實驗室和各大化工廠商的關注,目前它的發展潛力還完全看不到邊界。如果可控自由基聚合研究獲得諾獎的話,也算是眾望所歸。

各種“刺蝟”分子示意圖
各種“刺蝟”分子示意圖

  Part.2

  都聽說過光刻機,你知道光刻膠嗎?

  光刻機恐怕是每一個國人心中的痛,這種機器讓我們吃盡了技術封鎖的苦頭。可以說,光刻機是整個半導體工業中的核心設備之一。正是隨著光刻機技術的不斷改良,半導體工業才能在幾十年間延續摩爾定律的發展勢頭。

  不過,你可能不知道的是,在光刻相關技術的發展過程中,曾經因為材料無法及時改良而差點陷入瓶頸。這一關鍵材料,就是化學放大光刻膠。

  瞭解光刻膠之前,我們先來說說光刻工藝。在集成電路的製造過程中,光刻是非常重要的步驟。芯片從晶圓上線到包裝出廠,中間要經曆多次光刻。具體來說,光刻就是用特定波長的光照射需要加工的芯片晶圓,在照射之前晶圓表面會塗覆一層光刻膠,光刻膠會均勻地附著在晶圓表面,形成一層薄膜。

  當光源照射時,光刻膠和光源中間還有掩膜的遮蓋。所謂掩膜就是一個刻有各種形狀圖案的擋板,鏤空部分光線可以穿過,然後照到光刻膠上。而非鏤空的部分光線不能穿過,被其擋住的部位光刻膠不會受到影響。

  光刻膠是一種對光照敏感的物質,光照下內部的分子結構會發生改變。比如原來不溶於某種溶劑,經過光照後就可以很容易地溶解進同一種溶劑。這樣一來,經過這種顯影溶劑的清洗,掩膜的圖案就被轉印到了光刻膠上。這時我們再用其它工藝(例如蝕刻等)對晶圓進行處理時,光刻膠保護著的部分就不會受到影響。此外,光刻膠還分為很多種類型,有些是遇光分解,有些則是遇光固化,這兩種光刻膠最後轉印出的圖案正好相反(類似篆刻的陰文陽文)。

光刻工藝略圖(圖片來源:作者自製)
光刻工藝略圖(圖片來源:作者自製)

  在半導體工業發展早期,人們已經開始使用光刻膠了。但到了80年代,工程師們卻忽然發現原來的光刻膠不好用了。

  這是怎麼回事呢?原來,隨著半導體工業水平的發展,集成電路的集成水平不斷增加,加工極限越來越高,從毫米級到微米級,甚至到納米級。

  根據摩爾定律,每24個月,半導體上集成的晶體管數目就將增大一倍,原有光刻工藝中最先讓摩爾定律遇到瓶頸的是光源。我們都知道,決定光學系統解像度極限的是光波的波長,波長越短這一體系的極限解像度就越高。好比用毛筆寫字總是比鋼筆要粗,極限解像度越高,自然就意味著能夠刻畫更加精細的圖案。

  工程師們很快攻克了波長更短的光源,但當他們滿懷信心地嚐試進行光刻時,卻發現一個非常致命的問題,原來的光刻膠不好用了。原來光刻膠也存在自身的感應極限,當波長變短後,它們的光敏性變差了,沒法匹配上新光源帶來的高解像度。

  於是,皮球又從機電工程師腳下被踢回了材料工程師這裏。70年代後期,位於矽谷的IBM實驗室已經在著手開發高敏感性的光刻材料了,負責這一團隊的是格蘭特·威爾森,他的目標是開發出能夠匹配254納米波長深紫外光光源的光刻材料。

  1979年和1980年,威爾森分別迎來了兩位得力幫手。來自加拿大渥太華大學的副教授讓·弗萊切特和當時在紐約州立大學研究多糖合成的日本科學家伊藤洋加入了他的團隊。

  三人團隊在研發初期就敏銳地把握住了正確的研發方向,既然反應不夠靈敏,那麼能不能通過添加一些類似催化劑的材料讓反應變靈敏?

  在威爾森的領導下,弗萊切特和伊藤將開發重心放在了化學放大光刻膠材料上。所謂的化學放大,就是在原本的光刻膠體系中加上一些具有催化性質的引物,這樣當受到光照,引物就能引發鏈式反應,起到放大光敏特性的效果。

  雖然同時期的很多學者擔心不受控制的化學放大反而會讓光刻膠的性能下降,三人組還是堅定了最初的方向。在幸運女神的眷顧下,它們很快發現了一個潛在的化學放大反應機理。當在它們開發的光刻膠系統中加入光照下能夠產生氫離子的材料,氫離子就會和光刻膠中的某些基團發生反應,而這些基團正是決定光刻膠是否有堿溶液中溶解性質的關鍵。

  反應發生時,氫離子和基團反應將其轉化為堿中可溶,同時還會放出氫離子,這個氫離子又會繼續同其餘基團發生反應。這一反應平穩可控,不僅可以促成光敏性質的提升,還不至於破壞材料本身的穩定。1982年,三人組發表論文,正式公開了這一新技術。

化學放大光刻膠曝光過程示意圖
化學放大光刻膠曝光過程示意圖

  在隨後的幾十年中,各種性能的化學放大光刻膠如雨後春筍不斷湧現。如今,化學放大光刻膠已經廣泛應用於現行的深紫外光源和準分子激光光刻中,在最先端的極紫外光刻(波長1~10納米)和電子光刻工藝中,化學放大光刻膠仍然能夠滿足應用需求。可以說這三位科學家的偉業讓人類成功渡過了半導體工業歷史上的一大劫難。

  遺憾的是,在與癌症進行了長期鬥爭之後,伊藤洋還是在2009年6月離開了人世。威爾森和布萊切特能否在今年獲得諾獎,以告慰伊藤洋的在天之靈,我們拭目以待。

  Part.3

  不太“化學”的候選者們

  諾貝爾化學獎素有“諾貝爾理科綜合獎”之稱。這些不太“化學”的研究,也有可能問鼎諾貝爾獎。

  這其中,包括萬年大熱門基因魔剪;還包括可能獲得物理學獎又可能獲得化學獎結果什麼獎也沒得上的千年遺珠——碳納米管;還包括跟生物沾點邊但是本質是化學研究的金屬蛋白以及DNA寡核苷酸合成;同時還有利用化學方法解決純粹生物問題的分子伴侶以及未摺疊蛋白質反應等。

  除此之外,有機發光二極管(OLED)、像差校正透射顯微學等研究成果同樣具有極高呼聲。

 兩種金屬蛋白結構,圓球代表金屬原子
 兩種金屬蛋白結構,圓球代表金屬原子

  從這些研究中我們可以看到,化學作為工具被引入到生物和物理等領域,當代科學確實在向著更加交叉融合的方向發展。

  只是可惜了各位“純粹”化學領域的研究者們,在通往斯德哥爾摩的征途上,不僅要跟同行競爭,還要和生物、物理領域的研究者競爭。

  總之,今年的化學諾獎看點多多,值得前排占座圍觀。

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