静电场替代催化剂，或将掀起化学革命
制造药品和复杂材料的化学过程纷繁复杂，往往还会造成材料的极大浪费。科学家们发现了一种比传统化学更巧妙的方式来设计“原子之舞”：用静电场来代替催化剂。这一创新设想或许将为我们带来一个更清洁、更环保的绿色未来
新工具化繁为简
化学世界或将天翻地覆
每天，从睁开眼迎接新的一天起，我们的目光所及之处，会发现化学家们的杰作几乎无处不在——牙膏中的香料、沐浴露带来的宜人触感、衣服中的聚酯纤维，都是化学键断裂和结合的产物。现代世界所依赖的几乎所有材料，都是化学家们通过化学合成创造出来的。
然而，化学家们的工作并非如我们想象中的那么简单。例如，抗病毒药物瑞德西韦的开发过程就极为繁复。化学家们先要从一种叫做丙氨酸的小分子开始，然后通过25个独立的化学反应过程，添加上64个原子，才能最后制成药物。
创造这样的化学奇迹，不仅步骤非常繁复，工作过程也充斥着难以想象的脏乱。合成化学家的大部分时间都在与糊状物、粉末和起泡溶液打交道。除了实验室里的凌乱，他们还常常需要忍受各种难闻气味的煎熬。
或许有一种新的方法可以让化学合成变得更加简单、洁净。越来越多的化学家正在试验一种新工具来促进化学反应，那就是电场。它不仅有助于化学家更精确地控制原子的急速移动，还能极大地减轻化学反应过程对环境的破坏。如果这种方法真的可行，化学世界将发生天翻地覆的变化。
按需操控电子流
催化加速创造新物质
这种新工具为何会给我们带来如此光明的前景？首先，我们需要了解在任何化学反应中都极为重要的东西——电子流。
电子是带负电的粒子，在某个化学分子中，电子在带正电的原子核之间旋转，与原子结合在一起。化学家的合成工作就是诱使这种电子流从一处流到另一处，使原子支架重新排列或延伸，从而形成令人惊叹的新物质。
为实现产生新物质的目标，化学家们通常需要关注所涉及分子的极性，以及它们内部正负电荷的总体分布状况。理解并掌控这一过程，化学家就可以按照自己的意愿去引导电子的流向。
化学反应是许多化学成分相互作用的结果。一般情况下，反应只包括少数几种成分。通常，化学家们会将一种化学物质添加到由一种或多种其他化学物质组成的液体中，新加入的物质以某种方式与原来的物质结合，令其化学性状发生改变，从而生成新的化学物质。还有一点很重要，要更有效率地完成这样的化学反应，往往还需要有某种催化剂的参与——这些添加进去的催化剂可使反应进行得更快、产生更多人们希望得到的物质。如若没有催化剂的加入，化学反应就可能会进行得非常缓慢，甚至失败。
催化剂虽然很奇妙，但它们也给实验人员带来很多困扰。首先，催化剂必须由某种原材料制成或提纯，这需要时间，而且往往需要消耗大量能量，在这个过程中还会释放出大量二氧化碳。其次，反应结束后，必须小心地将添加进去的催化剂从化学反应的最终产物中分离出来。这样做，一是因为有回收价值的催化剂必须分离出来，二是因为化学家们可不想他们的任何实验成果因催化剂的存在而受污染。
由此可见，化学家们操纵化学反应的过程确实是一项繁杂而艰苦的工作。但是，化学反应过程是否能够不依赖于催化剂呢？诚然，化学家们可以利用一些传统化学的手段，比如加热，这通常可加速反应，但这种方法可能会产生意想不到的副反应。此外，少数特定波长的光也能引发化学反应，但可惜真正能派上用场的非常少。
50年漫长探索
从“白日梦”走向现实
几十年来，以色列耶路撒冷希伯来大学的沙森·沙伊克一直在想，是否有更好的促进化学反应的办法呢？
上世纪70年代，当沙伊克还是一名学生时，他偶然发现，高浓度盐可以作为一种非常有效的催化剂来促进化学反应，因为溶液中的盐会导电。这让沙伊克突然意识到，也许在其中起作用的是电场。
这在理论上是说得通的。电场实际上就是电荷从正电荷的一端流向负电荷那一端的一片空间。如果你能给某个分子施加电场，那么你就可以促使电子加速流动。如果改变磁场方向，电子就会反方向流动。
沙伊克认为，施加一个外部电场可能会加速化学反应，并可准确判断某种化学反应的结果，“这是每个化学家都梦寐以求的化学反应控制效应”。
通过计算机模拟，沙伊克首先对自己的想法进行了仿真验证，结果似乎是成功的。于是，从2009年起，他对化学合成领域内非常重要的狄尔斯—阿尔德反应进行了实验探索。这是一个环加成反应。实验表明，电场可以加速反应，并对环的形成产生影响。
在沙伊克的模拟实验中，电场与分子对齐是成功的关键。在圆底烧瓶中，分子一片混沌，以各个角度旋转于溶液中，这意味着任何外部电场在任何时候都只能与其中一小撮分子对齐。沙伊克多年来梦寐以求的电场“催化剂”，效果似乎也只能做到这样。
但是，有一种方法也许可以让分子静止不动——固定于另一种分子表面。
2016年，澳大利亚国立大学的米歇尔·库特用这种方法对沙伊克的狄尔斯-阿尔德模型进行测试，并取得了成功。库特和她的团队与澳大利亚柯廷大学的纳迪姆·达尔维什合作，将一种物质的分子固定在金属表面，将另一种准备与其进行反应物质的分子固定在一种特殊显微镜的尖端。在电场作用下，这两种分子以可控方式结合在一起，当电场电压增加时，分子间的结合速度会加快。库特表示，电场催化了这个反应，完全符合预期。
事实证明，这是一个重要的转折点。从此，许多化学家开始意识到，利用电场控制化学反应的想法并不只是理论上的白日梦，而是有创意的化学家们在实验室里可以做到的事情。
印度科学培育协会的阿扬·达塔就是其中一位。他已开始探索电场是否能在更多更广泛的化学反应中起到催化作用。最近，他利用电场作为“催化剂”，模拟了一种在合成化学中广泛应用的化学反应。实验结果发现，施加电场减少了反应所需的能量，并使反应发生的速度至少加快了一倍。
让分子对齐
静电场催化挑战更高效率
尽管有不少成功例子，但这种方法的实际可行性仍存在争议。
例如，在库特的研究中，显微镜的尖端一次只作用于一个分子。如果人们想用这种方法制造出一克重量的药物分子，我们需要以这种方法对1021个分子进行处理——以每秒一个的速度，耗时需一万亿年以上，这显然是不现实的。
因此，我们需要某种更好的方法让电场“催化剂”能够投入实际应用。
几年前，美国斯坦福大学的马修·卡南发明了一种小装置。在这个装置中，化学溶液沿着一条细细的通道不断流动，这个通道穿过覆盖在两个电极之间的电场。他报告称，这个装置明显提高了反应速率，通过电场极性的变化还可改变反应结果。这种方法显然比库特在显微镜下“粘贴”分子效率更高。但是卡南没有进行下一步探索的想法，他说这个方法仍然存在“重大技术挑战”。
库特也没有放弃。过去几年里，她一直在探索另一种方式，一种更宏大的利用电场的方式。这一次，她利用的是我们大多数人都体验过的静电现象。
众所周知，如果你用气球在织物上摩擦，就会产生静电，然后将气球举到头发上，静电就会把头发“吸”起来。当某些材料在一起摩擦，电子会从某种材料转移到另一种材料时，就会产生静电，从而形成一个电场。
库特和她同在科廷大学的同事西蒙·切姆皮对这种能够让人头发耸立的静电现象进行了试验。他们用一些直径达1米的塑料薄片，通过几秒摩擦使其产生静电。然后，他们将这些薄片放在一个滚筒系统上，浸入装满反应溶液的容器内。在这项实验中，这些带电表面可以加速电子从一个分子转移到另一个分子，从而在化学反应中起到催化作用。
虽然这种方法目前尚处于初期实验阶段，但切姆皮说，该方法“毫无疑问”可以扩大到工业规模的反应器。这种方法也可以通过一些改进变得更便捷有效。例如，可以将薄片改为某种反应棒，将每根反应棒的一头浸在溶液中，另一头不断摩擦生电。另一个设想是，将溶液滴到塑料片上铺展开，使之与静电场保持更持久的接触。
所有这些都表明，让一个个流动的分子与电场对齐的想法并非异想天开。根据切姆皮的说法，一些分子总会随机与电场对齐，带静电的表面越大，停留时间越长，与电场对齐的分子就越多。另外，研究发现，当分子接近带电表面时，它们会有与带电表面对齐的倾向性。
便捷环保
让化学合成更轻松高效
如果电催化真能成为化学领域内的主流工具，它将成为最受欢迎的绿色手段之一。
常规的催化剂通常会使用金属，它们不仅价格昂贵，有的甚至还会产生毒性，最后还得小心翼翼地将它们从反应混合物中除去，并最终处理掉。利用静电场来催化化学反应，这些都不需要了。“电磁场可以随时关闭，这是一种更干净、更环保的反应方式。”达塔说。
沙伊克还希望静电场能为其他一些非常棘手的化学问题提供解决方案。例如，如何分解某些类型的塑料进行回收利用， “塑料污染形势严峻，目前还没有什么好的解决方法”。
库特对静电场在未来化学中的作用持乐观态度。因为所有分子都有一定程度的电气极性。她认为，利用电场来催化任何化学反应都是可行的，但可能还需要几年时间才有可能达到这一目标。但目前，静电场至少可以让化学家们的工作变得更轻松、更高效。