諾貝爾獎成果就在我們身邊

李紅春，吳紅，王鈺熙，馮紅艷，鄭媛，蘭泉，江國順，吳強華，朱平平

化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥230026

諾貝爾獎自1901年首次頒獎至2020年，已有962人次及組織機構獲獎，其中，624人次獲得諾貝爾自然科學獎項(物理、化學、生理學或醫(yī)學)，占獲獎總數(shù)的64.86%[1,2]，其中很多獎項，比如核能的發(fā)現(xiàn)、光纖通訊、合成氨的發(fā)明、光合作用的“開爾文循環(huán)”、DNA雙螺旋結構等，都標志著人類科技的重大進展。諾貝爾獎成果正越來越多地應用到我們生活中，我們看病時拍的X光片，治療腫瘤的放射性療法，現(xiàn)在的豐衣足食，治療疾病的藥物，用到的各種電子產品……它們要么是諾貝爾獎的直接成果，要么是在獲獎成果基礎上進一步衍生出來的[3-7]，這樣看來諾貝爾獎其實離我們生活很近，讓我們跟隨大華、小雪的腳步一同來感受下身邊主要與化學相關的諾貝爾獎成果吧。

1 放射篇

今天是六一兒童節(jié)，大華和小雪(圖1)相約去參觀地質博物館，這里陳列著各種各樣的化石標本，有生活在侏羅紀晚期的劍龍，距今有1億5600萬年，還有生活在白堊紀晚期的霸王龍，距今有6500萬年。

圖1 大華(左)、小雪(右)——中國科學技術大學科普教育活動吉祥物

小雪一臉迷惑地問大華，“人類最多能活到100多歲，我們是怎么知道這些恐龍化石的年代的呢？它們可都是生活在成千上萬年前?。　?/p>

大華偷偷一笑，摸了摸小雪的頭，“這就是科技的力量，讓我們人類可以通過檢測這些標本的放射性來判斷它的年代？”

小雪一臉霧水，大華繼續(xù)解釋道：“我先來給你解釋下什么是放射性。這是一種自然現(xiàn)象，物質是由原子組成的，每個原子中心都有一個原子核，大多數(shù)原子的原子核是穩(wěn)定的，但有些是不穩(wěn)定的，這些不穩(wěn)定的原子通過核衰變會自發(fā)地放出射線，這就是‘放射性’。放出的這些射線包括α射線、β射線、γ射線等(圖2)。最早發(fā)現(xiàn)放射性的是貝克勒爾，但‘放射性’這個名稱是由居里夫婦命名的，之后，居里夫婦對放射性元素進行了深入研究，在鈾礦中發(fā)現(xiàn)了放射性元素‘釙’和‘鐳’(圖3)。貝克勒爾(Henri Becquerel)、皮埃爾·居里(Pierre Curie)、瑪麗·居里(Marie Curie)三位科學家因為發(fā)現(xiàn)放射性并對其進行深入研究而獲得1903年的諾貝爾物理學獎[5,8]。不幸的是1906年，皮埃爾·居里車禍去世了，但居里夫人并沒有因此停止放射性的研究，1910年，她最終完成了鐳的分離并測定了其多種特性，也因此獲得了1911年的諾貝爾化學獎[4,9]。”

圖2 不同射線的穿透力示意圖[4]

圖3 瀝青鈾礦和放射性元素釙、鐳[4]

“哇哦，好厲害啊，諾貝爾獎于1901年首次頒發(fā)，那她豈不是第一位獲諾貝爾獎的女性啦，而且還是第一位兩次獲得兩個不同學科諾貝爾獎的科學家呢！”

“你說的沒錯，就是這么厲害。要注意的是，大劑量放射性照射對人體和動物存在損害作用，去年諾貝爾獎官方公布，居里夫人1899年到1902年在實驗室中所使用的筆記本仍具有放射性，并將持續(xù)1500年?？上攵斈甑木永锓蛉耸敲爸啻蟮娘L險在探索未知科學啊。不僅如此，她還發(fā)現(xiàn)了鐳元素對抗擊癌細胞的巨大作用，我們今天所利用的放射性治療和X光都得益于居里夫人的研究。”大華一臉佩服地豎起大拇指。

“這樣說來，放射性雖有一定危險性但確實也很重要，居里夫人的科學精神和科學態(tài)度值得我們好好學習呢。咦，大華，你提到的這個放射性和2011年福島核泄漏事故中的放射性是一回事嗎？”

“是一樣的，福島核事故泄漏了很多裂變物質，其中銫-137、銫-134和碘-131三種人工放射性元素在北半球多個檢測站被檢測到[10,11]，引起了民眾的恐慌，這次核泄漏事件對環(huán)境造成的損害很慘重，而且會影響很長時間。放射性物質是一把雙刃劍，在醫(yī)學、核能利用等方面對人類有積極作用，利用不當會造成致命影響，所以在使用放射性物質時一定要謹慎。”

小雪認真地點了點頭，繼續(xù)追問道：“那大華你說的人工放射性和天然放射性有什么區(qū)別??？是不是一個是自然存在的放射性，一個是人工實現(xiàn)的放射性呢？”

“小雪真聰明，居里夫人他們發(fā)現(xiàn)和研究的是物質的天然放射性，而人工放射性是指人工實現(xiàn)的放射性元素具有的放射性，這一現(xiàn)象是由約里奧-居里夫婦(Frédéric Joliot, Irène Joliot-Curie)于1934年發(fā)現(xiàn)的，約里奧-居里夫婦也因此獲得了1935年的諾貝爾化學獎[4,12]。”

“大華，前面你提到了這么多科學家，怎么名字里好像都有居里呢？難道他們是一家人嗎？”

“你聽得還挺仔細的嘛，他們確實是一家人，約里奧-居里夫婦是老居里夫婦的女兒和女婿，在一個家族中產生四位諾貝爾獲獎者還是極其少見的呢。”

“確實很少見，太厲害啦！”小雪疑惑不解地繼續(xù)問道：“大華，你給我介紹了這么多放射性，可是我還是不明白這和確定化石的年代有多大關系呢？”

“放射性是確定化石年代的基礎啊，如果到現(xiàn)在我們都不知道放射性是什么的話，怎么會有接下來要介紹的放射性碳元素年代測定法呢。”

小雪滿懷期待地看了看化石，繼續(xù)聽大華講解。“由于碳循環(huán)作用動植物體內含有的放射性碳-14與其所處環(huán)境保持一致，當動植物死亡后，碳循環(huán)停止，體內的碳-14含量會因發(fā)生衰變而減少，每經過5730年其含量就減少一半，這就是碳-14的半衰期。這樣我們通過放射能計數(shù)裝置測定化石標本的放射能，就可以推斷出其所處年代啦(圖4)。發(fā)明這個方法的是美國的威拉德·利比(Willard F. Libby)，他獲得了1960年的諾貝爾化學獎[4,13]。這下明白了放射性和測定化石年代的關系了吧。當然由于碳-14法的測定范圍大概也就五萬年[15]，對于年代更久遠的化石還可以利用其他放射性元素進行測定，比如鉀-氬法、鈾系法等[16]?！?/p>

圖4 放射性碳元素年代測定法示意圖[14]

小雪若有所思地點了點頭。

2 豐衣足食篇

結束了博物館參觀之旅，已到午餐時間，兄妹倆來到一家餐廳，快速點餐后，飯菜已上桌。

“小雪，你知道我們吃的飯菜怎么來的嗎？”

“地里莊稼長的呀？”

“那植物怎么就長大結果實了呢？”

“通過光合作用??！記得老師說過，光合作用是植物、藻類和某些細菌利用葉綠素在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉變?yōu)槠咸烟?，并釋放出氧氣的生化過程?！?/p>

“是的，光合作用是地球上利用光能最重要的過程，也是規(guī)模最大的由二氧化碳和水等無機物質制造碳水化合物、蛋白質、脂肪等有機物的過程，大氣中的氧也來源于光合作用，包括人類在內的大多數(shù)生物都直接或間接依靠光合作用所提供的有機物質和能量而生存呢?！?/p>

小雪夾住菜沒來及放入碗中，驚奇地看著大華說道：“這么說來，我們這一桌飯菜都來自于植物，沒有光合作用就沒有我們的食物，光合作用是我們賴以生存的關鍵啊！”

“沒錯，所以研究光合作用對我們人類來說很重要，光合作用由光反應和暗反應組成(圖5)，葉綠素參與光反應，吸收來自太陽的能量，葉綠素結構最早由威爾施泰特(Richard Willst?tter)發(fā)現(xiàn)，他還發(fā)現(xiàn)存在兩種類型的葉綠素，即葉綠素a和b，并以3 :1的比例存在于綠葉細胞中，都是鎂的絡合物，其整體結構的確定是由費歇爾(Hans Fischer)完成的。光反應的產物NADPH和ATP直接參與暗反應，將二氧化碳轉變成葡萄糖，這個暗反應是一系列酶催化的化學反應，是一位來自美國的科學家麥利芬·卡爾文(Melvin Calvin)發(fā)現(xiàn)的，以他的名字命名，也稱為‘卡爾文循環(huán)’(圖5)。他們?yōu)榻颐毓夂献饔枚甲龀隽司薮筘暙I，分別獲得了1915年、1930年和1961年諾貝爾化學獎[4,17-19]?！?/p>

圖5 光合作用示意圖[20]

“有了這三位科學家的貢獻才讓我們吃飯無憂啊！”小雪一邊感慨一邊吃了一大口米飯。

“哈哈，對光合作用有貢獻的科學家遠不止這兩位呢，諾貝爾化學獎就有8次頒發(fā)給了與光合作用相關的研究發(fā)現(xiàn)[21]，在光合作用機理研究上我們取得了很大進步，但吃飯無憂沒有那么簡單，雖然搞清楚了光合作用的原理，但是如何讓作物長得好、結出更多果實，也不是一件容易的事兒。俗話說‘莊稼一枝花，全靠肥當家’，糧食增產離不開肥料的貢獻，據聯(lián)合國糧農組織(FAO)調查統(tǒng)計，肥料的平均增產效果在40%-60%。氮、磷、鉀是作物需要最多的營養(yǎng)元素，作物生長收獲后就從土壤中帶走了這三種元素，而通過作物本身歸還給土壤的并不多，往往通過化肥來給土壤補充，磷和鉀是礦物元素，存在于有機體和巖石中，大氣中沒有磷鉀，而氮元素不同，自然界中很大一部分氮素存在于大氣中，而且空氣成分中接近80%都是氮氣，我們要想辦法把大氣中的氮素轉移到土壤中，就可以給土壤補充氮了。小雪，你知道如何把大氣中的氮轉移到土壤中嗎？”

“把大氣中氮轉移到土壤中？”小雪認真地思考著，興奮地回答道：“根瘤菌生物固氮可以做到啊，雷電也可以使氮轉化為一氧化氮然后再進入土壤吧?！?/p>

“知道的還不少呀，這兩種方式分別是生物固氮和自然固氮，還有一種方式是人工固氮，人工固氮極大程度地滿足了我們人類生產生活的需求?！?/p>

“那人工固氮又是怎么實現(xiàn)的呢？第一次聽說哎。”小雪迫不及待地追問著。

“人工固氮就是氮氣和氫氣的混合氣在高溫高壓及催化劑作用下合成氨，提到人工固氮不得不提到一個人——弗里茨·哈伯(Fritz Haber)，是他首先發(fā)明的合成氨，1909年，哈伯在600 °C的高溫、200個大氣壓下用鋨作催化劑，實現(xiàn)氨的轉化率約8%，雖然這遠遠不能滿足工業(yè)生產需要，但這種方法預示著人工固氮的可行性，這種方法被稱為‘哈伯法’(圖6)，哈伯也因實現(xiàn)有價值的合成氨方法而獲得1918年的諾貝爾化學獎[4,22]。后來，哈伯與博斯(Carl Bosch)一同對‘哈伯法’進行改進，經過上萬次的試驗研制出鐵基催化劑，同時開發(fā)出能耐受得住200個大氣壓的高壓設備，使得合成氨的生產實現(xiàn)工業(yè)化，這種由哈伯首創(chuàng)，經博斯改進的氨合成法被稱為‘哈伯-博斯法’。博斯由于在高壓化學合成技術上的重大貢獻，與他人共同獲得1931年的諾貝爾化學獎[4,23]?！?/p>

圖6 人工合成氨及其在農業(yè)上的應用

“大華，我明白了，哈伯發(fā)明了合成氨，然后氨再制成尿素、硝酸等其他含氮物質，誕生了化學肥料，然后使得糧食產量翻了好幾倍，才能養(yǎng)活我們這么多人。哇哦，這意義真地無法用語言來形容啦！”

“是的，從這一點上看，哈伯就是‘用空氣制造面包的天使’，但是他還有另一面就是‘用化學武器摧殘人類的惡魔’，他把他的聰明才智用于戰(zhàn)爭，制造了氯氣、光氣(COCl2，碳酰氯)、芥子氣(二氯二乙硫醚)并投入使用，成為納粹的幫兇，受到社會的唾棄。所以，正確地使用自己的所學和聰明才智是很重要的，千萬不能用我們所學的知識去做壞事哦。”大華嚴肅認真地提醒著小雪。

“這些化學武器我在電視里看到過，太恐怖啦，想想就害怕，不要說了，不要說了，我們趕緊把飯吃完吧?！?/p>

午餐過后，小雪有點困乏，伸了伸懶腰，打了個哈欠，隔壁餐桌的奶奶正在給自己注射胰島素。

“大華，快看，隔壁老奶奶在給自己打針哎?！毙⊙@奇地拉了拉大華的衣角指給他看。

“這有什么好奇怪的啊，這是在注射胰島素，看來她是一位糖尿病患者。我們吃過飯后血糖會快速升高，胰島素就是為了控制我們的血糖不那么高的，糖尿病患者不能正常的分泌胰島素，所以需要體外注射胰島素或通過藥物來控制?！?/p>

“胰島素是什么??？”

“胰島素是由胰臟分泌的一種蛋白質激素，能降低血糖，促進糖原、脂肪和蛋白質的合成。如果分泌不足或胰島素不能正常發(fā)揮作用，血糖濃度升高，糖由尿排出就形成了糖尿病?！?/p>

“那這位老奶奶注射的胰島素是怎么制得的呢？不會是用人的胰腺吧？”小雪既好奇又驚恐地問著。

“呃……！這個問題我想想怎么來跟你解釋，首先肯定不是用人的胰腺來獲取胰島素的，太殘忍啦。最初是通過動物的胰腺提取出動物胰島素來治療人的糖尿病，人、牛、豬等動物的胰島素分子的氨基酸序列和結構都不太一樣但又很接近，其中豬的胰島素只有一個氨基酸與人的不同，牛的有3個不同(圖7)，所以早期一般用牛或豬的胰腺提取出胰島素來治療糖尿病。”

圖7 人、豬、牛胰島素的結構示意圖[24]

“那得多少動物的胰腺?。‰y以想象，我們不是都知道人胰島素的結構啦，不能人工合成嗎？”

“可是那時人類還不知道胰島素的結構，胰島素的結構是由英國科學家桑格花了10年時間才確定的，知道胰島素的結構后，人們才可以想辦法合成，才有了我們中國在1965年首創(chuàng)的人工合成牛胰島素的成果，這是世界上第一個蛋白質的全合成，開辟了人工合成蛋白質的時代。我們國家的人工合成牛胰島素成果曾經也申請過諾貝爾獎，但最終未能獲獎[25]?！?/p>

“那桑格有沒有獲諾貝爾獎呀？”

“桑格完成了胰島素結構的確定，這不僅僅是一個蛋白質的結構，還為證實基因遺傳密碼、生物合成及整個分子生物學的研究提供了基礎，意義深遠，為此他獲得了1958年的諾貝爾化學獎[4,26]，重點是，他后來還因發(fā)明堿基測序方法而再次獲得諾貝爾化學獎，他是唯一一位兩次獲得諾貝爾化學獎的科學家[4,27]?！?/p>

“又這么厲害！那知道了結構后可以合成了嗎？”

“合成是沒問題，但產率太低，從實用角度來看，靠人工合成來滿足需求是行不通的。到了20世紀80年代，重組DNA技術誕生，利用桑格測定的胰島素氨基酸序列，可以進一步確定人類胰島素的DNA序列，再利用重組DNA技術就可以讓細菌生產人胰島素啦，產出的胰島素和人體自身分泌的胰島素一樣。對比動物胰島素，使用人胰島素有效減少了過敏反應，但作用效果還是不能完全模擬人體自身分泌胰島素模式，所以胰島素藥物的開發(fā)還有很長路要走[28,29]。”

“已經很厲害啦，我感覺這就跟科幻大片似的，太神奇啦！這些糖尿病患者要感謝為發(fā)明胰島素做出貢獻的這些科學家啊?！?/p>

“糖友要感謝的還有一位科學家哦，就是加拿大的弗雷德里克·格蘭特·班廷(Frederick Grant Banting)，是他首先發(fā)現(xiàn)了胰島素，他也因此與麥克勞德(John James Rickard Macleod)共享了1923年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎[6,30]，發(fā)現(xiàn)胰島素的過程也很曲折精彩，下次再講給你聽哦。”

3 能源材料篇

叮鈴鈴，叮鈴鈴……，大華的手機響了，是他同學的電話，邀請他們兄妹倆傍晚一起去游樂園看燈光秀。可是路程有些遠，大華和小雪決定騎電動單車前往。

“小雪，你知道嗎，這個看上去很普通、很常見的電動車里也包含了很多科學知識呢！”

“大華，我知道，你要說的是電動車的電池吧?！?/p>

“沒錯。電池在我們的生活中很常見，人類第一款電池是伏特堆電池，后來又發(fā)明了丹尼爾電池，再到后來的鉛酸電池、堿性電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，直到現(xiàn)在的鋰離子電池，電池技術經歷了200多年的發(fā)展才走到今天的鋰電階段，目的就是為了更輕便、小巧、能量更高[31]，鋰離子電池現(xiàn)在應用到我們生活中的各個方面，手機、電腦、平板、電動車、攝像機等用的電池都是鋰離子電池。鋰離子電池還有一個名字‘搖椅電池’?！?/p>

“搖椅電池，這個名字好奇怪啊，為什么叫搖椅電池呢？”

“因為鋰離子電池是依靠鋰離子在正負極之間來回地嵌入和脫嵌來實現(xiàn)的，這個移動是不是像搖椅在搖擺啊。這和其他電池不同，其他電池都是基于物質在兩極發(fā)生化學反應，而且電極會緩慢的發(fā)生變化，而鋰離子電池只是鋰離子在兩個電極間流動，不會和周圍物質發(fā)生反應，這也意味著鋰離子電池壽命很長[32]。”

“大華，那鋰離子電池和鋰電池有什么區(qū)別嗎？”

“鋰電池是鋰離子電池的前身，鋰電池中用金屬鋰作負極，但是金屬鋰很活潑，充電過程中產生的鋰枝晶會刺穿隔膜(圖8)，使電池內部短路，容易燃燒或爆炸，不安全。所以鋰電池剛出實驗室就夭折啦，但是鋰這么適合作電池的材料讓科學家們愛不釋手啊，繼續(xù)進行研究，既然不能讓鋰作負極，那就換碳材料作負極，正極材料也進行了改進，換成了鈷酸鋰，這樣的鋰電池已經不是化學反應產生的電能了，而是陰陽極間電子流動產生的，這種能量僅來自外界充入過量的電子，儲存在兩極間用來做功，這就是我們現(xiàn)在用的鋰離子電池(圖9)[32]。”

圖8 鋰枝晶示意圖[32]

圖9 鋰離子電池示意圖[32]

“小小的鋰電池包含著巨大的能量，它的成長也是一路坎坷啊。感謝發(fā)明鋰離子電池的科學家們，不然我們就不能像現(xiàn)在這樣隨時隨地上網了。”小雪不由自主地感慨著。

“科學發(fā)展的道路都是荊棘叢生的，沒有那么順利，鋰離子電池的發(fā)明要感謝三位老爺爺，分別是約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)，他們分別是鋰電池的改造者、奠基者和優(yōu)化者。他們也共同獲得了2019年的諾貝爾化學獎[4,33]?！?/p>

“咦，大華，你剛剛提到鋰離子電池正極用的鈷酸鋰，負極用的是碳材料，那到底用的是什么碳材料呢？”

“古迪納夫老爺爺改進了鋰離子電池的正極，吉野彰老爺爺在此基礎上嘗試用碳材料作負極，他借鑒前人的研究結果，沒有選擇石墨，因為石墨容易被電池的電解液分解，而是選擇了低溫石墨——石油焦[32]?！?/p>

“石油焦是什么東西啊？和石墨又有什么關系呢？沒聽說過?！?/p>

“石油焦是石油工業(yè)的副產物，是石油的減壓渣油經焦化裝置在500-550 °C下裂解焦化而生成的黑色固體焦炭，屬于軟碳材料，是一種亂層石墨結構堆積型材料。石油焦和石墨都是由碳元素組成的，都屬于碳的同素異形體(圖10)。那小雪，我要考考你啦，你知道常見的碳的同素異形體還有哪些嗎？”

圖10 碳的同素異形體

“石墨，金剛石，嗯……，不知道了?！?/p>

“除了你剛剛提到的石墨和金剛石外，還有無定形碳，石油焦就屬于無定形碳，還有富勒烯，富勒烯是近些年才發(fā)現(xiàn)的一種新型碳單質，它形狀像足球，又叫足球烯，富勒烯的發(fā)現(xiàn)獲得了1996年的諾貝爾化學獎[4,34]。此外，還有石墨烯、碳納米管，石墨烯也就是單層石墨的發(fā)現(xiàn)獲得了2010年的諾貝爾物理學獎[5,35]?！?/p>

“哇，碳材料家族獲得了兩個諾貝爾獎呢！可是，大華，我知道金剛石硬度很大，可以做切割刀，還可以加工成炫麗的鉆石，石墨可以做電極，可以做鉛筆芯，那其他的碳材料有什么用呢？”

“這些現(xiàn)在都還是科學家們的新寵兒呢，許多的功能應用還在開發(fā)中，在我們的日常生活中還沒那么常見，但是相信在不久的將來，它們在不同的領域都會發(fā)揮著舉足輕重的作用的?！?/p>

隨著一路的討論，大華和小雪來到了游樂園，和約好的同學碰了面，落日余暉漸漸消失在天邊，夜幕悄悄來臨，園內燈光絢麗多彩，美食香氣撲鼻。

“小雪，今天給你講了這么多我們生活中和諾貝爾獎有關的科技發(fā)現(xiàn)，給你一個任務，留意身邊的事物，再找找看我們生活中還有哪些事物和諾貝爾化學獎密切相關吧，有獎勵哦!”

“大華，這好難啊，我怕我一個都找不到?！?/p>

“給你提示哦，我們經常用的飯盒，還有日化用品的塑料包裝桶，空氣中稀有氣體的發(fā)現(xiàn)，臭氧層的破壞等，這些會不會也都和諾貝爾獎有關呢，我們一起去尋找吧，就先從我們眼前的所‘見’所‘聞’開始……。”

4 結語

科技發(fā)展把我們從原來的農耕社會帶到現(xiàn)在的科技生活，諾貝爾獎作為科學最高獎，見證了科學的發(fā)展歷程，同時也激勵著無數(shù)的科技工作者堅持不懈，數(shù)十年如一日地在探索中前進。我們在了解這些獲獎成果給我們生活帶來的影響及價值的同時，也應注意到，科學研究是一個漫長、艱巨而且荊棘叢生的道路。希望廣大青少年在了解科學知識，領悟科學內涵的同時，鑄造科學精神，保持一顆好奇心，勇于踏上科學探索之路。