No.1 元素周期表：氧化態(tài)的新紀(jì)錄在銥的化合物中實(shí)現(xiàn)
氧化態(tài)表示化合物中某種原子被氧化的程度。在2014年之前，已知的化合物中氧化態(tài)最高為+8，僅存在與釕、銥、氙等少數(shù)元素的化合物中，而其中的銥尤為特別，因?yàn)槔碚撋纤€可以被繼續(xù)氧化，達(dá)到+9的氧化態(tài)。今年，來自德國、加拿大和我國復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)的研究人員通過緊密合作，成功地將理論預(yù)測變成了現(xiàn)實(shí)。他們從銥的單質(zhì)出發(fā)，通過氣相反應(yīng)，成功制備出了四氧化銥正離子(IrO4+)。在這種離子中，銥元素的氧化態(tài)達(dá)到了+9，這是迄今氧化態(tài)的最高紀(jì)錄。
No.2 顯微鏡技術(shù)：第一張氫鍵的顯微鏡照片受到質(zhì)疑
左：低溫下銅表面的8-羥基喹啉的原子力顯微鏡照片，黑色區(qū)域顯示存在氫鍵;右：二(4-吡啶基)乙炔的四聚體的原子力顯微鏡照片。盡管這種分子相互之間不存在氫鍵作用，圖片上仍然顯示出類似的“氫鍵” 結(jié)構(gòu)。
氫鍵是分子間的一種特殊的相互作用，它的強(qiáng)度介于共價(jià)鍵和范德華力之間。氫鍵廣泛參與到許多重要的現(xiàn)象——特別是生命現(xiàn)象中，因此對于氫鍵的研究具有重要的意義。在2013年，來自我國的一個(gè)研究組曾利用原子力顯微鏡觀察到8-羥基喹啉這種分子之間的氫鍵，這是首次直接觀察到氫鍵，因此引起了廣泛關(guān)注。然而在今年，來自芬蘭和荷蘭的研究人員在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表論文，對于這項(xiàng)研究提出質(zhì)疑。他們利用原子力顯微鏡觀察了二(4-吡啶基)乙炔這種分子的四聚體。在四聚體中，相鄰兩個(gè)分子的氮原子之間沒有任何氫鍵作用，但是他們也觀察到了類似的“氫鍵” 結(jié)構(gòu)。因此，他們認(rèn)為此前報(bào)道的氫鍵圖像可能僅僅是原子力顯微鏡掃描樣品過程中產(chǎn)生的假象。這項(xiàng)研究提醒相關(guān)人員，在利用顯微技術(shù)觀察納米尺度的物體時(shí)必須加倍小心。
No.3 材料科學(xué)：石墨烯出乎意料的新性質(zhì)
石墨烯是由碳原子組成的只有一個(gè)原子厚度的薄膜，通常被稱為二維材料。自從2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在2004年首次成功分離石墨烯以來，石墨烯的研究成為了一個(gè)相當(dāng)熱門的領(lǐng)域，人們希望這種新型材料能夠在許多應(yīng)用中取代傳統(tǒng)材料。
在2014年，關(guān)于石墨烯的一些新的研究讓人們對這種新型材料有了更加深入的認(rèn)識(shí)。其中一項(xiàng)研究表明，石墨烯的化學(xué)性質(zhì)可能并不像人們此前認(rèn)為的那樣穩(wěn)定。目前制備石墨烯常用的一種方法是先將石墨氧化得到氧化石墨，再將其還原。來自美國的研究人員發(fā)現(xiàn)，用這種方法制備的石墨烯在紫外線照射和二氧化鈦納米顆粒催化的條件下能夠迅速分解成二氧化碳和水。另一項(xiàng)研究則表明，盡管此前研究人員認(rèn)為各種原子或者分子很難通過石墨烯，質(zhì)子卻可以很好地穿過它。因此石墨烯有可能被用于燃料電池中傳導(dǎo)質(zhì)子的薄膜。
No.4 計(jì)算化學(xué)：通過模型促進(jìn)實(shí)驗(yàn)
“從頭計(jì)算的納米反應(yīng)器”預(yù)測的乙炔聚合的過程
在2014年，研究人員朝著計(jì)算化學(xué)的終極目標(biāo)——利用理論來發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)反應(yīng)——又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。來自美國斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種被稱為“從頭計(jì)算的納米反應(yīng)器”(ab initio nanoreactor)的計(jì)算化學(xué)新體系。在虛擬的環(huán)境中，這種“納米反應(yīng)器”將反應(yīng)物的分子混合并壓縮到一起，之后運(yùn)用量子力學(xué)方法計(jì)算反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物。利用這種方法，研究人員預(yù)測出了一些化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，這些化學(xué)反應(yīng)由于需要高溫高壓，目前尚不能在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證。雖然這種新的計(jì)算化學(xué)體系還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，它仍然是計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要進(jìn)展。
No.5 有機(jī)合成：鹽能夠影響根岸偶聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行
無機(jī)鹽對于根岸偶聯(lián)反應(yīng)的影響：左上：當(dāng)有機(jī)鋅試劑與兩個(gè)脂肪烷基相連時(shí)，無論有無無機(jī)鹽存在，反應(yīng)均無法進(jìn)行;右上：當(dāng)有機(jī)鋅試劑與兩個(gè)芳香基相連時(shí)，反應(yīng)不需要添加無機(jī)鹽即可進(jìn)行：下：當(dāng)有機(jī)鋅試劑與一個(gè)脂肪烷基或芳香基和一個(gè)鹵素原子相連時(shí)，反應(yīng)必須在有無機(jī)鹽存在的情況下才能發(fā)生。
根岸偶聯(lián)反應(yīng)( Negishicross-coupling)由日本化學(xué)家、2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咧桓队⒁话l(fā)現(xiàn)，指鹵代烷與有機(jī)鋅試劑在過渡金屬催化下形成新的有機(jī)化合物的反應(yīng)。根岸偶聯(lián)反應(yīng)自從1977年被發(fā)現(xiàn)以來，已被用于合成許多重要的有機(jī)物。來自加拿大的研究人員經(jīng)過十余年的研究發(fā)現(xiàn)，諸如氯化鋰這樣的無機(jī)鹽能夠顯著影響根岸偶聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行。根據(jù)有機(jī)鋅試劑結(jié)構(gòu)的不同，反應(yīng)在一些情況下必須在有無機(jī)鹽存在的情況下才能進(jìn)行，另外一些情況下不需要無機(jī)鹽參與就可以順利完成，還有一些情況下，無論是否存在無機(jī)鹽，反應(yīng)都不能發(fā)生。研究人員解釋說，根岸偶聯(lián)反應(yīng)要想正常進(jìn)行，有機(jī)鋅試劑與溶劑的極性必須匹配，而添加無機(jī)鹽可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這項(xiàng)研究可以幫助研究人員更好地控制反應(yīng)的進(jìn)行，減少不必要的副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
No.6 納米技術(shù)：制備高純度的碳納米管
處在鉑表面的多環(huán)芳香烴被加熱時(shí)會(huì)發(fā)生折疊形成碳納米管。通過這種方法，研究人員可以很好地控制碳納米管的尺寸。
單壁碳納米管被認(rèn)為在許多領(lǐng)域都有著潛在應(yīng)用，但長久以來，制備高純度的碳納米管是一項(xiàng)亟需解決的難題。目前常用的方法通常只能得到許多尺寸與手性各不相同的碳納米管的混合物，從而影響到碳納米管的導(dǎo)電性能。今年，兩個(gè)研究小組分別在高純度碳納米管的制備方法上取得重大突破。北京大學(xué)李彥教授及合作者用鎢-鈷合金的納米晶體作為“種子”，在高溫下引導(dǎo)碳納米管的生長。利用這種方法，他們將碳納米管的純度從55%提高到了92%。來自德國和瑞士的研究人員則利用多環(huán)芳香烴作為合成碳納米管的原料。在高溫下，這些芳香烴分子發(fā)生折疊和延伸，形成碳納米管。通過這種手段，他們能夠每次得到單一的一種碳納米管。
No.7 合成生物學(xué)：細(xì)菌接受了擴(kuò)展的遺傳密碼
上：人工合成的d5SICS-dNaM堿基對的化學(xué)結(jié)構(gòu);下：如果DNA的堿基從2對4種擴(kuò)充到3對6種，密碼子可能的組合將從64增加到216，因此有可能將一些新的氨基酸分子引入到蛋白質(zhì)中。
腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)以及鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)是我們熟知的DNA中的兩對四種堿基。地球上的所有生物都利用這四種堿基來編組遺傳密碼從而控制蛋白質(zhì)的合成。在2014年，來自美國斯克里普斯研究所的科學(xué)家們將含有d5SICS和dNaM這一對并非天然存在的堿基的DNA引入了活的細(xì)菌體內(nèi)，并發(fā)現(xiàn)含有新堿基的DNA能夠在細(xì)菌體內(nèi)正常復(fù)制。這一對新的堿基不像A-T和G-C堿基對通過氫鍵相互作用，而是通過疏水作用相結(jié)合。雖然含有新的堿基對的DNA已被證實(shí)能夠在體外指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，在生物體內(nèi)的復(fù)制還是首次報(bào)道。如果含有新堿基對的DNA能夠在生物體內(nèi)被轉(zhuǎn)錄為信使RNA，未來我們將有可能利用它來合成新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
No.8 結(jié)構(gòu)生物學(xué)：首次僅憑電子顯微鏡確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
酵母菌的線粒體核糖體大亞基的超高分辨率電子顯微鏡照片。藍(lán)色、紅色和黃色標(biāo)出的結(jié)構(gòu)分別表示與細(xì)菌的核糖體相同的結(jié)構(gòu)、與哺乳動(dòng)物線粒體核糖體相同的結(jié)構(gòu)和酵母菌獨(dú)有的結(jié)構(gòu)。
精確測定蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)向來是X射線衍射的專利，但是在今年，來自英國劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的幾位研究人員首次僅僅憑借電子顯微鏡就確定了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。通過改進(jìn)電子顯微鏡技術(shù)，他們成功獲得了酵母菌的線粒體核糖體大亞基的圖像，分辨率為3.2埃(1埃是1納米的十分之一，1米的百億分之一，原子半徑一般在1埃左右)。由于不需要像X射線衍射那樣需要復(fù)雜繁瑣的純化和結(jié)晶過程，新的電子顯微鏡技術(shù)有望幫助研究人員更好地了解生物大分子的結(jié)構(gòu)。
No.9 高分子科學(xué)：具有手性的新型塑料
來自美國康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型的含有金屬鈷的化合物，它能夠催化丁二酸酐和環(huán)氧丙烷這兩種分子相互反應(yīng)得到聚合物。環(huán)氧丙烷分子具有手性，也就是說它實(shí)際上具有兩種不同的結(jié)構(gòu)，它們像人的左右手一樣互為鏡像卻不能重疊。當(dāng)環(huán)氧丙烷與丁二酸酐在這種新型催化劑作用下生成高分子時(shí)，手性得到了保持，也就是說我們可以得到兩種互為鏡像的高分子。有趣的是，這兩種高分子材料各自的熔點(diǎn)都是79 oC，但按照1：1的比例互相混合后，由于特殊的相互作用，熔點(diǎn)卻升高至120 oC，而且結(jié)晶速度也大大加快，這些都非常有利于塑料制品的生產(chǎn)加工。另外這種新型的塑料能夠被生物降解，而且丁二酸酐和環(huán)氧丙烷都是常見的化工原料，因此很有希望在不久的將來獲得大規(guī)模的應(yīng)用。
No.10 太陽能電池：鈣鈦礦型太陽能電池繼續(xù)取得進(jìn)展
左：鈣鈦礦型太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上分別為透明電極、二氧化鈦層、具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體層和另一電極;右：鈣鈦礦型太陽能電池縱截面的電子顯微鏡照片。
太陽能電池一直被視為重要的可再生能源形式。目前已經(jīng)商業(yè)化的硅太陽能電池能夠?qū)?5%左右的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，但是造價(jià)昂貴?；诟叻肿拥炔牧系奶柲茈姵剌^為廉價(jià)，但是轉(zhuǎn)化效率只有10%左右。近年來，一種新型太陽能電池——鈣鈦礦型太陽能電池(perovskitesolar cells)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。鈣鈦礦型太陽能電池并非使用鈣鈦礦(CaTiO3)，而是指用來轉(zhuǎn)化太陽能的物質(zhì)具有通式為ABX3的化學(xué)組成，并且晶體結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦類似，它兼具了成本低廉和能量轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)。目前鈣鈦礦型太陽能電池最常用的材料為(CH3NH3)PbI3。今年早些時(shí)候，有報(bào)道表明鈣鈦礦型太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到16%，而在今年年底，已經(jīng)有研究人員實(shí)現(xiàn)20%的轉(zhuǎn)化率。由于含鉛化合物具有一定的毒性，美國西北大學(xué)的研究人員提出用錫代替鉛得到的類似化合物同樣可以用于生產(chǎn)鈣鈦礦型太陽能電池。同樣在今年，來自英國牛津大學(xué)的研究人員發(fā)表論文稱，碳納米管和高分子形成的復(fù)合材料能夠有效提高鈣鈦礦型太陽能電池的穩(wěn)定性。
