[科普中國]-“不太化學(xué)”的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 今年將花落誰家？

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)向來“慷慨大方”，常常把獎(jiǎng)發(fā)給跟生物或者物理沾邊的成果，各國化學(xué)家苦“秦”久矣，然而諾獎(jiǎng)委員會(huì)仍然是“我行我素”。

不過，這種趨勢(shì)倒是很好地說明了化學(xué)家們都是萬金油，在各行各業(yè)都能發(fā)光發(fā)熱。

今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)會(huì)花落誰家？

我們今天就來大膽做一波預(yù)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(gè)別成果，算不上那么的“化學(xué)”。

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“老樹發(fā)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(xué)研究，它解決了一個(gè)困擾化學(xué)界上百年的問題：如何讓狂放不羈的自由基聚合反應(yīng)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(nèi)部的共價(jià)鍵發(fā)生均裂，從而形成具有不成對(duì)電子的原子或者基團(tuán)，它具有極高的反應(yīng)活性。所謂自由基聚合，是指利用自由基實(shí)現(xiàn)有機(jī)物聚合的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也是生產(chǎn)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(chǎn)的產(chǎn)品超過三分之一。

為什么自由基聚合最常見？

道理很簡單，自由基聚合起來特別容易，在水中就能夠進(jìn)行，反應(yīng)成本低，并且產(chǎn)率還高。

我們以最常見的自由基聚合單體——乙烯為例來對(duì)自由基聚合反應(yīng)的原理進(jìn)行簡要的說明。

乙烯的分子結(jié)構(gòu)非常簡單，兩個(gè)碳原子間形成雙鍵，再各自拖著兩個(gè)氫原子。正常情況下乙烯比較穩(wěn)定，不會(huì)自行分解，碳碳雙鍵更是不會(huì)自行斷開。不過，一旦有自由基出現(xiàn)在整個(gè)體系中，碳碳雙鍵就可能受到自由基的“進(jìn)攻”，從而發(fā)生斷裂。

當(dāng)然，斷裂的結(jié)果并不是雙鍵同時(shí)斷開，而是其中一條保留成碳碳單鍵，另一條則斷開，最后在兩個(gè)碳原子上各自形成一條半鍵。而這兩個(gè)半鍵，正好又形成了新的自由基。

新的自由基又會(huì)跑去進(jìn)攻其它雙鍵，最后的結(jié)果就是大家的雙鍵統(tǒng)統(tǒng)斷裂，然后以單鍵的形式連接起來，形成很長的鏈?zhǔn)椒肿印?/p>

不過，自由基在體系內(nèi)最初是不存在的，因此我們需要“制造”一點(diǎn)自由基，以便讓它作為“引線”，引爆之后的聚合反應(yīng)。

乙烯分子、聚乙烯單體和帶有支鏈的聚乙烯分子 （圖片來源：作者自制）

生產(chǎn)聚乙烯時(shí)，常見的引物是碘單質(zhì)。碘單質(zhì)有個(gè)特點(diǎn)，因?yàn)樗陨硎请p原子分子，單個(gè)原子半徑又很大，因此兩個(gè)原子中間的共價(jià)鍵連接不是非常緊密。好比是兩個(gè)大胖子面對(duì)面手拉手，結(jié)果肚子太大，做不到非常“緊密”。

光照下的碘單質(zhì)特別容易分解出自由基，而乙烯并不挑肥揀瘦，不論自由基是來自碘還是來自其它乙烯分子，它統(tǒng)統(tǒng)能收入囊中。

聚合反應(yīng)隨即啟動(dòng)，乙烯分子們的雙鍵不停斷裂，又不停地和其它斷裂后的自由基相連，最后大家就聚合成了一個(gè)大分子。乙烯的聚合反應(yīng)發(fā)生速度非?？欤灰幻腌姷臅r(shí)間，就能讓成千上萬個(gè)分子聚合在一起。

最后，開始作為引物的碘單質(zhì)雖然也連接進(jìn)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(shù)量很少，不會(huì)影響產(chǎn)物純度。

自由基聚合的典型反應(yīng)示例 （圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

看到這里，你可能會(huì)覺得，聚合反應(yīng)這么簡單，過程酣暢淋漓，簡直就是完美反應(yīng)。

然而，自由基聚合反應(yīng)的缺點(diǎn)就在于它進(jìn)行得實(shí)在太快，而且中間的細(xì)微過程完全不受控制。

首先，各種聚合物到最后并非形成一個(gè)大分子，而是很多個(gè)鏈狀分子形成的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)鏈中，包含的平均單體分子數(shù)目叫做平均聚合度。普通的聚合反應(yīng)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(gè)單體就斷開了。

其次，更讓人撓頭的是，由于瞬間產(chǎn)生的自由基太多，有些單體帶著自由基瞎跑亂竄，結(jié)果可能會(huì)把本來連得好好的直鏈接的亂七八糟，縱橫交錯(cuò)。

聚合物在結(jié)構(gòu)上有個(gè)特點(diǎn)，單體排列越規(guī)整，各鏈間分子量差距越小，密度就越大，強(qiáng)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(xiàn)透明狀，質(zhì)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(xiàn)乳白色，成本跟強(qiáng)度相對(duì)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(yīng)順著人們的意志和設(shè)計(jì)進(jìn)行，我們就能夠得到各種各樣符合期望的產(chǎn)品，高分子聚合物的種類也可能大大增加。這一愿望是美好的，但是它實(shí)在是簡約而不簡單，人類一直到90年代中期才實(shí)現(xiàn)這一美好的愿望。

1995年，克日什托夫·馬蒂亞謝夫斯基提出了原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）。同期日本京都大學(xué)的澤本光男也獨(dú)立提出了類似的反應(yīng)概念。此后，埃齊奧·里扎多也提出了可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）和氮氧化物介導(dǎo)自由基聚合（NMP）。

這些反應(yīng)的具體機(jī)理當(dāng)然都比較復(fù)雜，但是他們的出發(fā)點(diǎn)都是降低自由基聚合反應(yīng)的速率，讓其處于可控狀態(tài)。

原理上來說，可控自由基聚合反應(yīng)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(jìn)行可逆的鏈終止或鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)。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扎，但是它并非完全失去自由，而是在這種化合物的引導(dǎo)和安排下進(jìn)行反應(yīng)。

普通自由基聚合形成的支鏈結(jié)構(gòu)（左）和可控自由基聚合形成的規(guī)整結(jié)構(gòu)（右） （圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

最終的結(jié)果就是，可控自由基聚合反應(yīng)可以根據(jù)人的意志生成各種不同聚合度的分子，同時(shí)還可以調(diào)控分子結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了極大的自由。例如，我們可以以某個(gè)球形結(jié)構(gòu)為中心，讓長度高度一致的長線狀的分子像刺猬一樣從球面上長出來。

聚合反應(yīng)不可控的時(shí)代，這類分子很難制作，因?yàn)榉肿拥拈L度不一，朝向也歪七扭八，想做個(gè)刺猬結(jié)果卻成了隨機(jī)線團(tuán)。

可控自由基聚合的技術(shù)路徑一經(jīng)提出，立刻吸引了全球?qū)嶒?yàn)室和各大化工廠商的關(guān)注，目前它的發(fā)展?jié)摿€完全看不到邊界。如果可控自由基聚合研究獲得諾獎(jiǎng)的話，也算是眾望所歸。

各種“刺猬”分子示意圖 （圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

都聽說過光刻機(jī)，你知道光刻膠嗎？

光刻機(jī)恐怕是每一個(gè)國人心中的痛，這種機(jī)器讓我們吃盡了技術(shù)封鎖的苦頭?？梢哉f，光刻機(jī)是整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)中的核心設(shè)備之一。正是隨著光刻機(jī)技術(shù)的不斷改良，半導(dǎo)體工業(yè)才能在幾十年間延續(xù)摩爾定律的發(fā)展勢(shì)頭。

不過，你可能不知道的是，在光刻相關(guān)技術(shù)的發(fā)展過程中，曾經(jīng)因?yàn)椴牧蠠o法及時(shí)改良而差點(diǎn)陷入瓶頸。這一關(guān)鍵材料，就是化學(xué)放大光刻膠。

了解光刻膠之前，我們先來說說光刻工藝。在集成電路的制造過程中，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(jīng)歷多次光刻。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(huì)涂覆一層光刻膠，光刻膠會(huì)均勻地附著在晶圓表面，形成一層薄膜。

當(dāng)光源照射時(shí)，光刻膠和光源中間還有掩膜的遮蓋。所謂掩膜就是一個(gè)刻有各種形狀圖案的擋板，鏤空部分光線可以穿過，然后照到光刻膠上。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(huì)受到影響。

光刻膠是一種對(duì)光照敏感的物質(zhì)，光照下內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。比如原來不溶于某種溶劑，經(jīng)過光照后就可以很容易地溶解進(jìn)同一種溶劑。這樣一來，經(jīng)過這種顯影溶劑的清洗，掩膜的圖案就被轉(zhuǎn)印到了光刻膠上。這時(shí)我們?cè)儆闷渌に嚕ɡ缥g刻等）對(duì)晶圓進(jìn)行處理時(shí)，光刻膠保護(hù)著的部分就不會(huì)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，這兩種光刻膠最后轉(zhuǎn)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：作者自制）

在半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展早期，人們已經(jīng)開始使用光刻膠了。但到了80年代，工程師們卻忽然發(fā)現(xiàn)原來的光刻膠不好用了。

這是怎么回事呢？原來，隨著半導(dǎo)體工業(yè)水平的發(fā)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(jí)到微米級(jí)，甚至到納米級(jí)。

根據(jù)摩爾定律，每24個(gè)月，半導(dǎo)體上集成的晶體管數(shù)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(xué)系統(tǒng)分辨率極限的是光波的波長，波長越短這一體系的極限分辨率就越高。好比用毛筆寫字總是比鋼筆要粗，極限分辨率越高，自然就意味著能夠刻畫更加精細(xì)的圖案。

工程師們很快攻克了波長更短的光源，但當(dāng)他們滿懷信心地嘗試進(jìn)行光刻時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(yīng)極限，當(dāng)波長變短后，它們的光敏性變差了，沒法匹配上新光源帶來的高分辨率。

于是，皮球又從機(jī)電工程師腳下被踢回了材料工程師這里。70年代后期，位于硅谷的IBM實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在著手開發(fā)高敏感性的光刻材料了，負(fù)責(zé)這一團(tuán)隊(duì)的是格蘭特·威爾森，他的目標(biāo)是開發(fā)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(xué)的副教授讓·弗萊切特和當(dāng)時(shí)在紐約州立大學(xué)研究多糖合成的日本科學(xué)家伊藤洋加入了他的團(tuán)隊(duì)。

三人團(tuán)隊(duì)在研發(fā)初期就敏銳地把握住了正確的研發(fā)方向，既然反應(yīng)不夠靈敏，那么能不能通過添加一些類似催化劑的材料讓反應(yīng)變靈敏？

在威爾森的領(lǐng)導(dǎo)下，弗萊切特和伊藤將開發(fā)重心放在了化學(xué)放大光刻膠材料上。所謂的化學(xué)放大，就是在原本的光刻膠體系中加上一些具有催化性質(zhì)的引物，這樣當(dāng)受到光照，引物就能引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到放大光敏特性的效果。

雖然同時(shí)期的很多學(xué)者擔(dān)心不受控制的化學(xué)放大反而會(huì)讓光刻膠的性能下降，三人組還是堅(jiān)定了最初的方向。在幸運(yùn)女神的眷顧下，它們很快發(fā)現(xiàn)了一個(gè)潛在的化學(xué)放大反應(yīng)機(jī)理。當(dāng)在它們開發(fā)的光刻膠系統(tǒng)中加入光照下能夠產(chǎn)生氫離子的材料，氫離子就會(huì)和光刻膠中的某些基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，而這些基團(tuán)正是決定光刻膠是否有堿溶液中溶解性質(zhì)的關(guān)鍵。

反應(yīng)發(fā)生時(shí)，氫離子和基團(tuán)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為堿中可溶，同時(shí)還會(huì)放出氫離子，這個(gè)氫離子又會(huì)繼續(xù)同其余基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)。這一反應(yīng)平穩(wěn)可控，不僅可以促成光敏性質(zhì)的提升，還不至于破壞材料本身的穩(wěn)定。1982年，三人組發(fā)表論文，正式公開了這一新技術(shù)。

化學(xué)放大光刻膠曝光過程示意圖 （圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

在隨后的幾十年中，各種性能的化學(xué)放大光刻膠如雨后春筍不斷涌現(xiàn)。如今，化學(xué)放大光刻膠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)行的深紫外光源和準(zhǔn)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(xué)放大光刻膠仍然能夠滿足應(yīng)用需求。可以說這三位科學(xué)家的偉業(yè)讓人類成功渡過了半導(dǎo)體工業(yè)歷史上的一大劫難。

遺憾的是，在與癌癥進(jìn)行了長期斗爭之后，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(jiǎng)，以告慰伊藤洋的在天之靈，我們拭目以待。

不太“化學(xué)”的候選者們

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)素有“諾貝爾理科綜合獎(jiǎng)”之稱。這些不太“化學(xué)”的研究，也有可能問鼎諾貝爾獎(jiǎng)。

這其中，包括萬年大熱門基因魔剪；還包括可能獲得物理學(xué)獎(jiǎng)又可能獲得化學(xué)獎(jiǎng)結(jié)果啥獎(jiǎng)也沒得上的千年遺珠——碳納米管；還包括跟生物沾點(diǎn)邊但是本質(zhì)是化學(xué)研究的金屬蛋白以及DNA寡核苷酸合成；同時(shí)還有利用化學(xué)方法解決純粹生物問題的分子伴侶以及未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)等。

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

兩種金屬蛋白結(jié)構(gòu)，圓球代表金屬原子 （圖片來源：維基百科）

從這些研究中我們可以看到，化學(xué)作為工具被引入到生物和物理等領(lǐng)域，當(dāng)代科學(xué)確實(shí)在向著更加交叉融合的方向發(fā)展。

只是可惜了各位“純粹”化學(xué)領(lǐng)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(lǐng)域的研究者競爭。

總之，今年的化學(xué)諾獎(jiǎng)看點(diǎn)多多，值得前排占座圍觀。

參考文獻(xiàn)：

1.精密ラジカル重合ガイドブック

https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/countries/japan/materialscience/documents/saj1455_crpg_j.pdf

2.Achievement ：Development Of Chemically Amplified Resist Polymer Materials For Innovative Semiconductor Manufacturing Process

https://www.japanprize.jp/data/prize/2013/e_1_achievements.pdf

3.大學(xué)院講義「ものづくり教育內(nèi)容學(xué)」に基づくプラスチック材料や身近な昆蟲を利用した理科教材開発の試み

https://iss.ndl.go.jp/books/r000000004-i8775333-00