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诺贝尔化学奖九大猜测:委员会是否认为锂电池”足够好”了?

来源:钱柜平台   发布时间:2019-11-05   点击量:483

划重点:

    诺贝尔化学奖预测依据:同一领域连续两年获得诺贝尔化学奖的概率很低;有机化学的获奖周期在5年左右;分析化学与理论化学获奖的间隔比较长,物理化学与无机化学领域则很少获奖。018奖项预测:“从头算”分子动力学、锂电池、金属有机框架材料、碳-氢键活化、光遗传学、基因组编辑技术、点击化学、分子伴侣蛋白、通过计算机设计蛋白质功能的研究。

文/崔原豪

(本文为腾讯新闻独家约稿,未经授权,不可转载。)

今年的诺贝尔化学奖将在北京时间10月3日(周三)17时45分发布。每年一次的诺贝尔奖,俨然已经成为科学界的狂欢,引起全世界的关注,而号称“最正统”的诺贝尔化学奖尤甚。

据统计研究发现,近年来诺贝尔化学奖获得者年龄呈走高趋势,20世纪的100年中,诺贝尔化学奖共授予132人,平局年龄55岁。而21世纪以后,诺贝尔化学奖共授予43人,平均年龄67岁(数据来自《化学教育》)。这固然因为现代科研需要的知识和科研难度有所提高,也代表着诺贝尔奖委员会对重大科研突破的认可时间呈现延长趋势,同时也越发加大了诺贝尔化学奖的预测难度。

从近些年诺贝尔化学奖的颁奖结果来看,诺贝尔化学奖正有一种成为“理科综合”奖的趋势,比如去年的化学奖授予“冷冻电镜”,被认为是给了“物理学家一个化学奖以表彰对生物领域做出的贡献”。很多朋友认为,化学奖近年来几乎是最难预测的诺贝尔科学奖。

诺贝尔化学奖预测真的无迹可寻吗?

作为科学界的“奥斯卡”,各位科研“明星”们的支持者也利用科研特有的严谨思维,观察总结发现了诺贝尔奖的一些“经验定律”。这些经验定律虽然免不了会有例外,但是它们可以为我们的预测提供一些参考。

Tips: 化学界的学术领域分别是: 有机化学,无机化学,分析化学,生物化学,物理化学,理论化学。其中近年来由于生物学的进展迅猛,与之相关的有机化学和生物化学领域显得极为活跃。而其他领域有逐渐式微的趋势。

1.隔年领域不重复

经验表明,同一领域连续两年获得诺贝尔化学奖的概率很低。

这或许是唯一一个诺贝尔委员会委员同意的经验定律:Claes Gustafsson(现任主席)曾在2015年的诺贝尔化学奖记者会上说过,2年连续相近领域的可能性很低。但是值得关注的是,这一经验定律曾在2008和2009年被生物化学打破(打破经验定律的逆天存在)。根据这一经验定律,2017年的化学奖归属于生物化学领域的“冷冻电镜”,今年生物化学领域的概率会比较低。

2.有机化学的周期律

经验表明,有机化学的获奖周期在5年左右。

距今最近的一次有机领域诺贝尔化学奖在2016年时被授予“分子机器”,以这一条来看,今年还未满足经验周期,因此在选择候选者时我们同样会下调有机化学领域的权重。

3.物理化学,分析化学,理论化学,有机化学的概率统计

经验表明,分析化学与理论化学获奖的间隔比较长,物理化学与无机化学领域则很少获奖。

如今分析化学和理论化学已经越来越密不可分了,理论化学近些年的突出成果很多都与分析化学有关。

4.诺贝尔委员会成员背景

大家都知道,任何评奖活动与会与评审的个人喜好有一定联系,诺贝尔奖同样不例外。经验表明,每年诺贝尔奖得主的领域通常不与主席相近,而是与其他评委之一相近。

今年的评委会成员与以往并没有发生改变,不同的是主席人选有所变化。他们的领域分别是Claes Gustafsson(主席,医学/生物化学)、Sara Snogerup Linse(物理化学)、Peter Brzezinski(生物化学)、Olof Ramstr?m(有机化学)、Johan ?qvist(理论化学)、Gunnar von Heijne(理论化学)。

委员会背景理论2人,生化2人,有机1人,物理1人,主席由去年的Linse教授变为今年的Gustafsson教授,这再一步证实了今年化学奖花落生物化学领域的概率不大,物理化学的概率增加。

5.前置奖项风向标

从以往经验来看,每届诺贝尔奖得主都会实现获得其它奖项的大丰收。

这些奖项比如汤森路透的引文桂冠奖(2002至今,已预测出46位诺奖得主),有机化学领域的罗杰o亚当斯奖(39人中有10位诺奖得主),拉斯克医学奖, 沃尔夫奖等,将会纳入参考。

在开始正文之前,我们来一起回顾一下历史,

表1 诺贝尔化学奖10年回顾

化学奖在2017年花落生物领域的“冷冻电镜”,2016年被授予有机领域的“分子机器”,2015年是生物领域的“DNA修复”,2014年则是物理化学领域的“超分辨率显微技术”,2013年是理论化学领域的“复杂化学系统多尺度模型”,2012年是生物化学领域的“G蛋白偶联受体”,2011年是无机领域的“准晶体的发现”,2010年是有机领域的“钯催化偶联反应”,2009年是生物化学领域的“核糖体”。

因此根据经验定律,我们有理由相信2018年的诺贝尔化学奖很有可能会落在理论化学、分析化学或物理化学领域。

2018奖项预测:

基于此,我们给出了对今年诺贝尔化学奖的一些预测,以供大家参考。

1.“从头算”分子动力学 (Ab-initio MD): 一起算出一个微观世界

获奖者: Roberto Car和Michele Parrinello

Ab-initio MD(图片来自Cambridge University Press)

分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法,它可以利用仿真来模拟原子一定时间内的运动轨迹,并通过观察原子运动中的各种微观细节来验证,补充各种理论和实验。1985年,意大利物理学家Roberto Car和Michele Parrinello在《Unified Approach for Molecular Dynamics and Density Functional Theory》中开创了从头算分子动力学方法(ab-initio MD)的先河.

相比于传统的分子动力学方法,Ab-initio MD可以不采用经验参数,而是从量子力学的角度出发来模拟观察各个原子之间的作用,并在计算过程中考虑电子传递和极化作用,因此能模拟化学反应过程。该理论被广泛用于解决凝聚态物理、物理化学、材料化学、地球科学和生物化学的问题,现如今已经成为了一种标准的模拟计算方法。

虽然这种仿真模拟依然存在模拟算法固有的缺陷,比如精度问题和体系的设定选取问题,但是它对理论化学和其它领域的突出贡献已经足以支撑获得诺贝尔化学奖。

2.锂电池(Lithium-ion Battery): 96岁传奇一手缔造的便携能源帝国

获奖者: John B. Goodenough 、M, Stanley Whittingham、Akira Yoshino、Koichi Mizushima

时至今日,锂电池作为最主要的便携式能量源影响着我们生活的方方面面。如果没有锂电池,就不会有如今的便携式穿戴设备,手机,电动汽车等。锂电池产业已经接近年产几十亿美元,为人类的日常活动提供动力。锂电池还曾和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明,而晶体管的发明人巴丁已经荣获诺贝尔奖。

即使如此,诺贝尔委员会还是不认为美国化学家John Goodenough(“足够好“)教授的锂电池可以获得诺贝尔化学奖吗?

John Goodenough

“锂电池之父”Goodenough的一生是一部传奇。1946年,23岁的退伍士兵Goodenough带着科研梦想进入了芝加哥大学,但是在那里一位教授告诉他,他的年龄已经太大了,很难在这一行取得成功。这位教授说的其实没错,因为7年后古德纳夫博士毕业,初入科研时已经30岁了,而30-40岁应当是一个正常学者的科研巅峰时期,他至少落后了3年。但是年轻气盛的古德纳夫并没有听从这位教授的建议。

制作电池需要选择合适的电极材料和电解质材料,以提高电池容量和充放电速度,60年来不可充电的锌碳电池一直占据着消费电池的主要市场。1976年,53岁的Goodenough进入牛津大学教授化学,同年英国化学家Stan Whittingham宣布了他在锂电池方面取得的重大突破。Whittingham的发现虽然是电池产业的一次飞跃,但是他的锂电池却在过充的时候极易发生爆炸,依然不可商用。Goodenough认为自己可以改善这个缺点。

1980年,Goodenough抵达牛津四年后,他终于采用钴酸锂获得突破。新电池拥有更小的体积,更大的容量和更加稳定的使用方式。1991年,索尼采用Goodenough的理论制作出了世界上第一款商用锂电池,从此,手机、照相机、手持摄像机乃至电动汽车等领域各自步入了便携式新能源时代。

如今,96岁高龄的Goodenough还依然每天往返于实验室,奋斗在科研第一线。他认为还需要最后一个重大发明才能无愧于自己---制造出可以使电动汽车代替汽油车的高容量电池。

Goodenough的传奇似乎并没有影响到诺贝尔委员会的评价。每年Goodenough都是诺贝尔化学奖的热门候选人,但是他依旧年年陪跑,堪称化学界的“村上春树”。2017年,一封名为“Open Letter: John Goodenough Deserves A Nobel Prize”公开在CleanTechnica网站上,希望诺贝尔委员会能够授予Goodenough诺贝尔化学奖。这项很多人参与的请愿运动不出意外地没有回音。

时至2018年,96岁的古德纳夫教授时间已经不多了,他究竟会在生命的最后时间里获得科学界的至高荣誉,刷新诺贝尔奖的年龄纪录?还是会像门捷列夫一样抱憾终身?

我们希望是前者。

3.金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks (MOFs) ):无机与有机的交融

获奖者: Susumu Kitagawa、Omar M. Yaghi、Michael O’Keeffe 、Makoto Fujita

金属框架材料(图片来自chemistry world)

金属有机框架材料其实一直位于诺贝尔化学奖的候选名单之上,但是一直未能获奖。

1995年,金属有机框架材料由约旦化学家Omar M. Yaghi率先提出,经由其它学者共同发展。它是现代化学界研究最广泛的有机-无机杂化材料(配位聚合物),具有三维孔状结构,可以表现出高孔隙占有率、低密度、大表面积比、内部孔道规则和拓扑多样、可裁剪等特性。这些前所未有的特性使金属有机框架材料备受瞩目,被认为可以广泛应用于气体储存、分离、催化和化学传感等等领域。

Yaghi曾于2010年获得汤森路透引文桂冠奖,2009年曾获美国化学协会材料化学奖章等。由于令人惊叹的特性和未来潜在的巨大用途,金属有机框架材料获得今年诺贝尔奖概率并不小。

4.碳-氢键活化(C-H Functionalization):简化化学制程和环境保护的未来?

获奖者: Shinji Murai、Robert G. Bergmann、John E. Bercaw、Georgiy B. Shul‘pin

1993年以前,化学界的主流观点是碳-氢键的氧化加成非常难以实现,这一观点直到日本化学家Shinji Murai的理论出现才宣告停止,Murai是世界上第一个开发了实用金属催化碳-氢活化反应的化学家。 碳-氢键活化反应可以把有机化合物中广泛存在的碳-氢键转化为其他官能团形式的化合物,这样的反应有望在合成过程中减少合成步骤,并减少废弃物,从而有效降低大规模化学合成时引起的环境问题。

碳-氢键活化反应

来自加州理工大学的Bergmann教授,加州伯克利大学的Bercaw教授和俄罗斯科学院的Shul‘pin教授在Murai的研究基础上做出了很多改进贡献和理论研究,并因此获得2017年汤森路透的引文桂冠奖。此外,Bergmann教授还曾获得2017年的沃尔夫基金会奖(屠呦呦也曾获此奖后直接获得诺贝尔奖)和2014年韦尔奇基金会化学奖。

碳-氢活化反应是近年来有机化学领域十分活跃的一个研究方向,这种活化反应对于化学制程的改变和潜在的降低环境污染将会对我们的未来产生巨大影响。这些成果也已经被验证了很多年,所以今年的化学奖有可能表彰发现和研究碳-氢键活化反应的科学家们。

5.光遗传学(Optogenetic):光指引着我们前进的方向

获奖者:Karl Deisseroth、Edward Boyden

光遗传学是一项注定要获得诺贝尔奖的研究技术,也是近些年最为光明的生物化学研究方向。2010年光遗传学被Nature Methods选为年度方法,同年被Science认为是近十年来的最大科学突破之一。

光遗传技术

2005年8月,斯坦福大学的Edward Boyden和Karl Deisseroth第一次将光敏通道(一种天然的ChR2蛋白质)通过慢性病毒载体注入神经元里,实现了通过蓝光精准控制神经元的活化。此后,光遗传学迅速改变神经生物学界,成为了解特定神经作用不可或缺的工具。虽然这篇论文最初曾遭受Nature和Science拒稿,但是当论文发出后,得到了学界的广泛追逐,有关光遗传学的论文呈指数增长。

2005年诞生的光遗传学还很年轻,正如Boyden所言, “10年对于科学来说并不算长,我们才刚刚开始。”这项工作有着远大的前景,被认为注定要获得诺贝尔奖,但是13年的短暂成长是否能获得诺贝尔委员会的青睐?让我们拭目以待。

6.基因组编辑技术(CRISPR/Cas9): 现代基因技术的福音

获奖者:Jennifer A. Doudna、 Emmanuel Charpentier、Feng Zhang(张锋)、Yoshizumi Ishino、George M. Church

与锂电池一样,基因组编辑技术近年来一直是诺贝尔奖的大热门,有所不同的是,它不仅仅是生理学或医学奖的大热门,同时也是化学奖的大热门。

CRISPR(图片来自wikipedia)

CRISPR是从细菌中提取的一种基因组,这种基因组是细菌免疫系统的关键组成部分,可以侦测并抵抗病毒的攻击,摧毁病毒DNA。如果CRISPR能够临床使用,将有望解决人类的疾病问题,从此人类的基因就可以编辑修复,将彻底地改变人类的人生。

虽然CRISPR一直是诺贝尔奖的常年热门候选,但是也面临着很多伦理方面的争议。科研方面,CRISPR虽然已经成为了强大的科研工具,但是它的编辑准确度能够满足临床要求吗?依然要打一个大大的问号。虽然如此,CRISPR仍然是无可争议的人类基因研究史上的一座丰碑,今年的诺贝尔化学奖也有一定可能花落此处。

7.点击化学(Click Chemistry):完美的化学反应就在眼前?

获奖者:K. Barry Sharpless 、M.G.Finn 、Varely V. Fokin 、Rolf Huisgen, Carolyn R. Bertozzi

点击化学(图片来自Advanced Science News)

点击化学也是一个相对年轻的学科。2001年,美国化学家Sharples获得了他的第一座诺贝尔化学奖,并在同年提出了点击化学这个合成概念。他希望通过小单元的拼接,完成模块式合成、高生产率、无副作用、反应简单、原料易得、产物易分离和反应速度快的化学合成反应。这种化学合成听起来很完美,目前仅有几个反应可以满足上述完美的定义。不过这些反应已经足够在对合成效率要求比较高的高分子化学和生物化学中获得广泛应用。

这种代表着近乎完美反应的化学合成方式得到了化学界的追捧,2013年,Sharpless因在“点击化学”领域的影响,夺得了汤森路透引文桂冠奖。学界广泛认为,“点击化学”能帮助他获得第二次诺贝尔化学奖。

8.分子伴侣蛋白(Molecular Chaperone):还原蛋白质立体结构

获奖者:Arthur L. Horwich、Franz-Ulrich Hartl 、R. John Ellis

这又是一个从2011年起的诺奖大热门。分子伴侣蛋白的故事要从蛋白质折叠开始讲起,根据1972年诺贝尔化学奖得主Christian Boehmer Anfinsen的理论,蛋白质分子的一级结构决定其立体结构,当加热或因其他因素而变性(立体结构解体)后,环境恢复原状时,蛋白质可以在短时间恢复其立体结构。也就是说,蛋白质会因为加热或其它因素解体后,在环境恢复时折叠至立体结构。对这种现象的研究,可以说是在破解“第二遗传密码”的过程。

蛋白质折叠前后的变化(图片来自wikipedia)

分子伴侣蛋白是一类协助细胞内分子组装和蛋白质折叠的蛋白质。1989年,美国化学家Arthur L. Horwich和德国化学家Franz-Ulrich Hartl几乎在同一时间独立发现了帮助蛋白质折叠的大肠杆菌内的分子伴侣蛋白,并在1997年完善了蛋白质的折叠机理。

蛋白质的折叠理论和分子伴侣蛋白的发现对各种各样的神经退行性疾病有极大帮助,例如阿尔茨海默氏病(老年痴呆症)、肌萎缩性脊髓侧索硬化症等等。Hartl和Horwich因此在2011年获得了诺贝尔风向标之一的拉斯克奖基础医学奖,从此以后,几乎每年都是诺贝尔提名名单上的常客。

分子伴侣蛋白毫无疑问完全值得被授予诺贝尔奖,但是这么多年以后,诺贝尔奖委员会会不会把他们遗忘了呢?

9.通过计算机设计蛋白质功能的研究 : 上帝之手在人间

获奖者:David Baker

据数据显示,国际蛋白质数据库大约储存11万种蛋白质,而实际上蛋白质的种类有亿万种。那么如果我们能在计算机上设计蛋白质会怎么样呢?美国化学家David Baker教授和他的团队完成了这个挑战,他们通过对氨基酸的蛋白质折叠理论研究,寻找出一种可以在计算机上解释氨基酸,从而直接设计制造人造蛋白质的方法。这些人造蛋白质已经可以在医药,材料,生物等领域发挥不同的作用。

事实上,能够设计蛋白质对于生物的意义不亚于基因编辑技术。“没人能知道这种技术未来能够做什么,我们唯一知道的是它是革命性的。”马里兰大学帕克分校蛋白折叠专家John Moult说。

结语:上述每一位大师的研究都可以写成一部厚重的著作,他们毫无疑问都对人类世界作出了卓越的贡献,改变了我们的生活。限于篇幅,本文简短的语言完全不足以描述这些技术的价值,甚至有一些可能的获奖项相较之下概率比较低而无法提及, 例如BLAST生物信息学计划,生物分子马达,化学糖链生物学,光合作用,钙钛矿型太阳能电池,催化抗体,光合作用原理,原子转移自由基聚合等等研究。在诺贝尔化学奖已经逐渐倾向“理科综合奖”的今天,预测已经越来越难了(一不小心就预测到了生物奖,逃~)。笔者希望这篇预测能够给关注诺贝尔化学奖的各位观众带来启发。那么诺贝尔奖还会让Goodenough老爷子继续等待吗?让我们拭目以待10月3号吧!

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