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译自Chem-Station网站日本版 原文链接:ウォルター・コーン Walter Kohn
翻译:炸鸡
Walter Kohn(1923年3月9日-2016 年 4 月 19 日),美国理论化学家。加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校名誉教授(封面图片:vega.org.uk)。因为提出了密度泛函理论和对计算化学领域做出的里程碑性贡献,和John Pople一起被授予了1998年的诺贝尔化学奖。
1923 出生于奥地利
1945 多伦多大学 取得学士学位
1946 多伦多大学 取得硕士学位
1948 哈佛大学 博士学位
1948-1950 哈佛大学Instructor
1950-1960 卡内基梅隆大学 助手,助理教授,教授
1960-1979 加利佛尼亚大学圣地亚哥分校 教授
1979-1984 加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校 Director
1984-1991 加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校 教授
1991- 2016 加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校 名誉教授
1960 Oliver Buckley Prize
1977 Davisson-Germer Prize
1988 National Medal of Science
1991 Feenberg Medal
1998 Niels Bohr/UNESCO Gold Medal
1998 Nobel Prize in Chemistry
提出了密度泛函理论(Density Functional Theory; DFT)
多电子体系的基态自由能可以用电子密度的泛函表示。
现在,DFT由于能够以适度的计算量获得高精度的结果,因此被广泛采用。
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译自Chem-Station网站日本版 原文链接:モウンジ・バウェンディ Moungi G Bawendi
翻译:炸鸡
Moungi G Bawendi(1961年3月15日-),美国化学家。美国麻省理工学院(MIT)教授。胶体量子点研究领域的开创者之一。2023年诺贝尔化学奖得主。封面图片来自MIT Chem。
1982 哈佛大学 毕业
1988 芝加哥大学 博士毕业
1988 贝尔实验室博士研究员
1990 麻省理工学院(MIT)助理教授
1995 麻省理工学院(MIT)副教授
1996 麻省理工学院(MIT)教授
1991 Packard Fellowship for Science and Engineering
1994 Fellow of Alfred P. Sloan Foundation
1997 The Coblentz Award
2007 Ernest Orlando Lawrence Award
2010 ACS Award in Colloid Chemistry
2016 World Technology Awards
2020 科睿唯安引文桂冠奖
Bawendi的研究侧重于纳米晶体,特别是半导体纳米晶体(也称为量子点)的科学和应用。Bawendi关注单个量子点,正在开发一种方法可以在时间范围从100皮秒到1毫秒的跨度上探索量子点的电子激发动态特性。
在1993年,Bawendi和其研究团队开发了一种合成方法,使用配位性有机化合物作为溶剂,热分解有机金属化合物,得到了具有高亮度发光特性的CdS、CdSe、CdTe等量子点。(引用次数超过12000)[1]
该合成方法被称为“热注入法”,它是最常见的单分散纳米晶体的合成方法,利用将有机金属试剂快速注入高温溶剂中,实现均匀的核生成过程。
被紫外线激发后,极小粒子的胶体悬浊液(被称为胶体量子点或CQD),不同大小的粒子会发出不同颜色的荧光。
之后Bawendi进行了量子点的光谱学研究[2]以及与激光相关的研究[3]。积极展开了纳米材料在生物学上的应用研究[4]、太阳能电池的研究[5]等。此外,也对使用单分子光谱学方法进行单个量子点的光谱研究表示了兴趣 [6]。
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译自Chem-Station网站日本版 原文链接:モウンジ・バウェンディ Moungi G Bawendi
翻译:炸鸡
Екимов, Алексей Иванович( Alexei Ekimov,1945年2月28日出生于苏联),旅美物理化学家。
Nanocrystals Technology Inc.主任研究员。(封面图片来自:nexdot Quantum Dots History)2023年与Moungi G Bawendi博士和Louis E. Brus博士一同被授予诺贝尔化学奖。
1967 列宁格勒州立大学 毕业
1968-1977 A.F. Ioffe Physical Technical Institute 研究员
1974 取得候补学位(Ph.D: 物理学和数理科学)
1977-1990 S.I. 瓦维洛夫国立光学研究所 上院研究院 兼小组负责人
1989 取得物理数学博士学位
1990-1999 伊洛夫研究所 主任研究员
1999- Nanocrystals Technology Inc. 工作
1976 苏联国家奖(Государственная премия СССР)
2006 R. W. Wood Prize
2023 诺贝尔化学奖
等等
纳米结晶半导体 量子点的发现和关于量子点的电子特性和光学特性的开创性研究
研究了半导体纳米结晶CdS、CdSe、CuCl和CuBr的玻璃光学和电学特性,并确定了这些晶体的尺寸与其吸收光谱参数之间的关系。和A.F.Ioffe Physical Technical Institute的理论物理学家的A. Efros一同阐明了包含观察到的纳米结晶的玻璃光学特性。尤其解释了纳米结晶的光学特性因其尺寸而异的原因,并发现了纳米结晶表现出量子特性,行为类似于“人工原子”。
此后,半导体纳米结晶和类似的物体开始被称为“量子点”。
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译自Chem-Station网站日本版 原文链接:ルイ・E. ・ブラス Louis E. Brus
翻译:炸鸡
Louis E. Brus(1943年8月10日-,出生地:俄亥俄州克利夫兰市),美国化学家。哥伦比亚大学教授。美国国家科学院会员。(图片来自哥伦比亚大学网站)2023年诺贝尔化学奖得主。
1965 莱斯大学 毕业
1969 哥伦比亚大学 博士毕业 Ph.D. (chemical physics)
1969-1973 美国海军研究所 科学人员
1973-1996 贝尔实验室
1996-现在 哥伦比亚大学教授
2001 Irving Langmuir Prize in Chemical Physics (the American Physical Society)
2005 ACS Award in the Chemistry of Materials (American Chemical Society)
2006 R. W. Wood Prize
2008 Kavli Prize
2010 NAS Award in Chemical Sciences
2012 Bower Award and Prize for Achievement in Science (the Franklin Institute)
2013 Welch Award
2023 Nobel Prize in Chemistry
量子点(胶体状半导体纳米结晶)的发现。[2,3]
Brus发现了一种被称为量子点(quantum dot)的胶体半导体纳米晶体[1]。在贝尔实验室,Brus在研究光激发半导体表面上发生的有机物氧化还原反应的过程中,注意到水溶液中的硫化镉晶体(半导体)的能隙随颗粒尺寸变化而改变[2]。他与同事Michael Sturge讨论后,宣布这个能隙和颗粒尺寸之间的关系可以通过三维空间内的量子约束理论模型来解释。[3]
量子点的实用合成法的开发。[4]
在上述的发现的基础上,Brus开发了更小的CdSe量子点的合成法(表面修饰法,分离精制法)。[4]
历史和传记的热心读者。园艺爱好者。同时也是三个孩子的父亲。[5]
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作者 石油醚
去年的诺贝尔生理或医学奖授予哈维·阿尔特(Harvey J. Alter)、迈克尔·霍顿(Michael Houghton)和查尔斯·M·赖斯(Charles M. Rice),以表彰他们在“发现丙型肝炎病毒”方面作出的贡献。今年的诺贝尔生理或医学奖于10月4日北京时间17点45分在瑞典首都斯德哥尔摩卡罗琳医学院揭晓,诺贝尔奖委员会将今年的诺贝尔生理或医学奖授予戴维·朱利叶斯(David Julius)和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)两位科学家以表彰他们在“发现温度和触觉感受器”方面作出的贡献(图 1)。
人类面临的最大谜团之一是如何感知环境的问题?几千年来,我们的感官机制一直在激发着科学家的好奇心,例如,眼睛是如何感知光的,声波是如何影响我们的内耳的,以及不同的化合物是如何与我们鼻子和嘴中的感受器相互作用,产生嗅觉和味觉等众多问题。在日常生活中,我们认为这些感觉是理所当然的,但神经冲动是如何产生的,从而使温度和压力可以被感知的呢?今年的诺贝尔生理或医学奖的得主就解决了这些问题。
David Julius教授利用辣椒素来识别皮肤神经末梢中对热有反应的传感器。Ardem Patapoutian使用压敏细胞发现了一类新型传感器,可以对皮肤和内部器官中的机械刺激做出反应。这些突破性的发现引发了众多科学家的研究活动,导致我们对神经系统如何感知热、冷和机械刺激的理解迅速增加。两位获奖者指出:我们对感官与环境之间复杂相互作用的理解中发现了关键的缺失环节。
人类感知热、冷和触觉的能力对于生存至关重要,并且是我们与周围世界互动的基础。早在17世纪,哲学家勒内·笛卡尔(René Descartes)设想了用线将身体的不同部分与大脑连接起来,用脚接触明火后会向大脑传递机械信号(图 2)。后来的发现揭示了特殊感觉神经元的存在,并记录了周围环境的变化。而在1944年赫伯特·斯宾塞·伽塞尔(Herbert Spencer Gasser)发现了不同类型的感觉神经纤维,它们各自能对不同的刺激做出反应,比如疼痛的触觉和不痛的触觉。从那时起,科学家们认为神经细胞在检测和传导不同类型的刺激方面具有高度专一化的特点,例如,我们通过指尖感受表面纹理差异的能力、皮肤区分令人愉悦的温暖以及令人痛苦的热的能力。在David Julius与Ardem Patapoutian的突破性进展之前,我们对神经系统如何感知和解释我们的环境的理解仍然包含一个未解决的问题:在神经系统中温度和机械刺激是如何转化为电脉冲的?
如人饮水,冷暖自知
辣椒素,化学名称为反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺,化学式为C18H27NO3是辣椒的活性成分,对哺乳动物包括人类都有刺激性并可在口腔中产生灼烧感。早在1990年代后期,David Julius教授试图研究化合物辣椒素如何在人类接触辣椒时引发灼烧感方面做了研究1-3,并取得了重大的突破。Julius及其同事从可以对疼痛、热和触摸有响应的感觉神经元中表达的基因出发,创建了一个包含数百万个 DNA 片段的库,随后在细胞中表达这些基因,并测试其是否能与辣椒素反应。经过大量且枯燥筛选,Julius教授终于发现了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因(图 3)即,辣椒素感应基因的发现!Julius教授团队进一步鉴定出该基因编码了一种新的离子通道蛋白,这种新发现的辣椒素受体后来科学家们被命名为 TRPV1。当Julius教授研究蛋白质对热的响应是,他意识到这是一种热敏受体,且需要在一定的温度下被激活(图 3)。TRPV1的发现是在该领域一项重大突破,其为揭开其他温度感应受体开辟了新的道路。随后,David Julius 和 Ardem Patapoutian 各自独立地使用化学物质薄荷醇来识别一种被寒冷激活的受体TRPM84。其他与TRPV1和TRPM8相关的离子通道也陆续被发现,它们能在一系列不同的温度下被激活。
鸭梨山大
虽然温度感觉的机制正在展开,但机械性刺激如何转化为我们的触觉和压力的机制仍不清楚。之前,研究人员已经在细菌中发现了机械传感器,但脊椎动物中的机制仍然未知。Ardem Patapoutian教授使用压敏细胞发现了一类新型传感器,可以对皮肤和内部器官中的机械刺激做出反应。Patapoutian教授及其同事首先确定了一种细胞系,随后对该细胞系外加刺激(微量移液管戳单个细胞),其会发出可测量的电信号。Patapoutian教授团队假设被机械激活的受体是离子通道,并鉴定了 72 个编码可能受体的候选基因。通过后续大量的筛选,Patapoutian及其同事成功地确定了一个基因,该基因的沉默失活后,使细胞对微量移液器的戳刺不敏感。基于此,一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道被发现,并被命名为 Piezo15。随后,发现了与Piezo1相类似的第二个基因并将其命名为 Piezo26,7,并证明 Piezo28 离子通道对触觉至关重要。进一步研究证实 Piezo1 和 Piezo2 是离子通道,通过对细胞膜施加压力直接激活(图 4)。此外,Patapoutian教授及其科学家的进一步工作证实:Piezo1 和 Piezo2 通道已被证明可以调节其他重要的生理过程,包括血压、呼吸和膀胱控制。
诺贝尔奖委员会指出, TRPV1、TRPM8 和Piezo通道的突破性发现,不仅让我们能够了解热、冷和机械力如何启动神经冲动,使我们能够感知和适应周围的世界。TRP 和Piezo通道也有助于阐述更多生理过程的功能,也被用于开发多种治疗疾病的药物,实实在在将科学转化为了造福病患的工具。
参考文献:
1 M. J. Caterina; M. A. Schumacher; M. Tominaga; T. A. Rosen; J. D. Levine; D. Julius, Nature, 1997, 389, 816, doi:10.1038/39807.
2 M. Tominaga; M. J. Caterina; A. B. Malmberg; T. A. Rosen; H. Gilbert; K. Skinner; B. E. Raumann; A. I. Basbaum; D. Julius, Neuron 1998, 21, 531, doi: 10.1016/S0896-6273(00)80564-4.
3 M. J. Caterina; A. Leffler; A. B. Malmberg; W. J. Martin; J. Trafton; K. R. Petersen-Zeitz; M. Koltzenburg; A. I. Basbaum; D. Julius, Science 2000, 288, 306, doi:10.1126/science.288.5464.306.
4 D. D. McKemy; W. M. Neuhausser; D. Julius, Nature 2002, 416, 52, doi:10.1038/nature719.
5 A. M. Peier; A. Moqrich; A. C. Hergarden; A. J. Reeve; D. A. Andersson; G. M. Story; T. J. Earley; I. Dragoni; P. McIntyre; S. Bevan; A. Patapoutian, Cell 2002, 108, 705, doi: 10.1016/S0092-8674(02)00652-9.
6 B. Coste; J. Mathur; M. Schmidt; J. Earley Taryn; S. Ranade; J. Petrus Matt; E. Dubin Adrienne; A. Patapoutian, Science 2010, 330, 55, doi:10.1126/science.1193270.
7 S. S. Ranade; S.-H. Woo; A. E. Dubin; R. A. Moshourab; C. Wetzel; M. Petrus; J. Mathur; V. Bégay; B. Coste; J. Mainquist; A. J. Wilson; A. G. Francisco; K. Reddy; Z. Qiu; J. N. Wood; G. R. Lewin; A. Patapoutian, Nature 2014, 516, 121, doi:10.1038/nature13980.
8 S.-H. Woo; V. Lukacs; J. C. de Nooij; D. Zaytseva; C. R. Criddle; A. Francisco; T. M. Jessell; K. A. Wilkinson; A. Patapoutian, Nature Neuroscience 2015, 18, 1756, doi:10.1038/nn.4162.
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依据瑞典化学家诺贝尔的遗嘱,诺贝尔奖于1901年开始颁发,用来表彰在物理、化学、生理学或医学、文学、和平及经济学(瑞典银行出资增设)领域有着卓越贡献的杰出人士。然而诺奖成立百余年来,多次引发争议,历年来因为主观评价标准差异,招致争议最多的当属文学奖与和平奖。事实上,科学领域也不乏争议,维基百科就曾列举过部分争议的诺奖(Nobel Prize Controversies),本文将讲述两位和化学相关的充满争议的诺奖得主。
诺贝尔奖章(图片来源于网络)
众所周知,氮元素在自然界绝大多数都是以大气中游离的单质态(N2)存在,由于特殊的成键特征使得氮分子非常稳定很难直接参与化学反应。固氮作用(nitrogen fixation)是指将空气中游离态的氮转化为化合态氮的过程,很长一段时间以来,固氮都只能依靠自然状态下的雷电作用或豆科植物根瘤菌来完成。植物的生长离不开氮元素,化肥出现以前植物所能获取的氮元素十分有限。特别是19世纪末,随着世界人口的增长,粮食的需求也日趋增长,加上工业发展和军事上的迫切需要,人工固氮成了世界范围内的重大难题。
自然界中的氮循环(图片来源于网络)
人工固氮的方式就是合成氨,即以氮气和氢气为直接原料,经化合作用得到具有多种应用价值的氨分子(NH3)。早在19世纪下半叶,物理化学中热力学和动力学成果已经为工业合成氨提供了强有力的理论支撑。那时已经明确合成氨是一个放热的可逆反应,加压降温会促进NH3的生成但温度的降低又会导致反应速率的减缓,催化剂的存在会极大促进反应的进行。因此,如何在诸多影响因素中寻找一个最利于NH3生成的平衡点是众多科学家都没能解决的难题。最终德国化学家弗里茨·哈伯脱颖而出,彻底扭转了人类固氮“靠天吃饭”的局面。
1909年,哈伯发现在600 oC高温和200个大气压条件下,以金属锇作为催化剂能以8%的产率得到合成氨,这一产率已经可以达到工业生产的要求。随后经过数十年的发展,哈伯等人成功解决了生产设备和催化剂成本等问题,1913年终于实现了合成氨的工业化生产。合成氨技术用于化肥生产,促进了农业发展,粮食产量得以迅速提高,亿万人的温饱问题得到解决。哈伯是当之无愧的功臣,被誉为“从空气制造面包的天使”,凭借这一贡献哈伯获得1918年诺贝尔化学奖是没有任何争议的。
1913年最早的合成氨设备(左图)现如今位于德国KIT学院用于纪念
合成氨技术促进化肥工业发展的同时也使得炸药的生产成本大幅降低,间接促进了战争。哈伯狂热的爱国热情在一战期间尽显无疑,他领导的实验室成为战争服务的重要军事机构:哈伯不仅承担了战争所需材料的供应和研制工作,甚至还会亲自奔赴前线以实际行动践行爱国主义。更为恐怖的是,他有悖人性极端地认为研制毒气可以加快战争的结束,由此打开了化学战先河。“潘多拉魔盒”一旦被打开就很难再关上,随后哈伯还进行了杀伤性更大的光气、芥子气等多种毒气的研究。除德国外,其余的参战国也纷纷使用化学武器进行攻击,整个一战期间,化学武器造成了超过一百万的人员伤亡,“化学武器之父”也成了哈伯不光彩的印记。
哈伯(左二)指导德军士兵使用毒气弹
1918年11月德国宣布投降,结束了历时四年的第一次世界大战。同年,在巨大的争议声中,瑞典皇家科学院力排众议将诺贝尔化学奖授予了哈伯。令人无比唏嘘的是,尽管狂热的爱着祖国,但哈伯在纳粹时期因为自己犹太人的身份被国家“抛弃”。1934年1月流亡于异国他乡的他因突发心脏病死于瑞士的巴塞尔,并最终与妻子合葬在在瑞士巴塞尔的Hörnli公墓。(作者注:有人认为哈伯的妻子克拉拉是坚定的和平主义者,因劝说丈夫未果自杀明志。)爱因斯坦说:“哈伯的一生是一个德国犹太人的悲剧——那种无果之爱的悲剧。”时至今日,毁誉参半的哈伯究竟是“天使”还是“魔鬼”恐怕依然不能轻易做出判断。
说来有趣,历史上首位获得生理学或医学奖殊荣的“外行”竟是一位来自瑞士的化学家保罗•穆勒(Paul Hermann Müller),获奖理由是他于1939年秋发现了DDT的杀虫功效。DDT学名为双对氯苯基三氯乙烷(Dichloro-Diphenyl-Trichloroethane),曾经是最著名的农药和杀虫剂,它的合成非常简单和高效,只需氯苯和三氯乙醛在酸性条件下高温缩合即可,产率几乎是定量的。1942年面市后被广泛用于植物保护,同时也在减轻疟疾、伤寒等蚊蝇传播疾病方面发挥重要作用。尤其是二战期间,盟军大量染上疟疾却缺少金鸡纳碱的对症治疗,这时DDT有效的灭蚊效果使得热带疾病传播大大减缓。不久,DDT就被鼓吹成为安全、对人低毒的杀虫剂,一局被推上“神坛”,那时随处可见超大剂量喷洒DDT的工程车辆。
正在喷洒DDT的工程车辆
好景不长,上世纪60年代科学家们发现DDT在环境中非常难降解,并可在动物脂肪内蓄积,甚至在南极企鹅的血液中也检测出DDT的存在。据估计,DDT在生物体内的代谢半衰期为8年;鸟类体内含DDT会导致产软壳蛋而不能孵化,尤其是处于食物链顶极的食肉鸟,如美国国鸟白头海雕几乎因此而灭绝,此外DDT对鱼类是高毒的。而真正产生巨大影响的当属美国海洋生物学家雷切尔·卡森(Rachel Louise Carson)所著的《寂静的春天》一书,书中对于DDT造成环境问题的描述唤醒了公众的环保意识,也让DDT转瞬跌落神坛,沦为众矢之的,就连穆勒本人也因此饱受争议。
《寂静的春天》及其作者
目前,世界上大部分地区已经明令禁止生产和使用DDT,只有少数地区还继续使用以对抗疟疾,世界卫生组织WHO也早将其界定为二级致癌物。科学的发展具有“双面性”,DDT就是最生动的例子,但我们不能污名和否认DDT在人类早期认识不足的情况下所做出的贡献,我们更需要反思和警醒的是不能让下一个“DDT事件”出现。
关于哈伯和穆勒两位科学家的争议,我想不能只单单停留在争议阶段,更应该思考他们两人带来的启示。科学无善恶,人心不可测,如何规避科学技术带来的负面效应是目前摆在所有科学工作者面前的难题,如何避免争议的技术、争议的科学家再次出现,可能不光需要社会的监督,更需要科学工作者们时时刻刻坚守本心。
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投稿作者 石油醚
诺贝尔奖的创立者瑞典人阿尔弗雷德·诺贝尔就是一名化学家,曾发明硝化甘油炸药。按照他的遗嘱,诺贝尔化学奖旨在颁给在化学方面有重要发现和取得重大成果的人。自1901年至2019年,诺贝尔化学奖共颁发了111次。因受二战影响和秉着“宁缺毋滥”的原则,化学奖有8年没有颁发。截至2019年,共有183人获得诺贝尔化学奖。但是在这111次的诺奖颁发中,而女性科学家凭借自己的美貌与智慧并存,凭着温柔睿智、细心勤奋创造新化学,她们人漂亮,做的化学更漂亮,赢得了人们的尊重和仰慕,并且获得了诺贝尔奖。其中183人中获得诺奖的女科学家就有5人,分别是玛丽·居里(波兰裔法国籍,1911),伊雷娜·约里奥-居里(法国,1935),多萝西·克劳福特·霍奇金(英国,1964),阿达·约纳特(以色列,2009),弗朗西斯·阿诺德(美国,2018)。下面将对这五位科学家进行介绍。
玛丽·居里(Marie Curie,1867年11月7日—1934年7月4日),出生于华沙, 法国著名波兰裔科学家、物理学家、化学家。居里夫人是历史上第一个获得两项诺贝尔奖的人,而且是在两个不同的领域获得诺贝尔奖。1903年,居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而共同获得诺贝尔物理学奖,1911年,因发现元素钋和镭再次获得诺贝尔化学奖,居里夫人的成就包括开创了放射性理论、发明分离放射性同位素技术、发现两种新元素钋和镭大大推动了并推动了X射线的发展。在她的指导下,人们第一次将放射性同位素用于治疗癌症。爱因斯坦评价说:“在所有的世界名人当中,玛丽·居里是唯一没有被盛名宠坏的人[1-4]。
伊雷娜·约里奥-居里,(1897.9.12–1956.3.17) ,著名的法国科学家化学家。其父亲皮埃尔·居里,母亲玛丽·居里都是著名科学家。除了自己获得诺奖以外,其父母还有她的丈夫都曾经获得诺奖。居里夫妇一家是最成功的“诺奖家族”。1935年,约里奥-居里夫妇的最主要的成就是发现了人工放射性的研究以及合成新的放射性核素方面做的工作获得诺贝尔化学奖。其夫妇二人还建立了法国第一个核反应堆[1,5]。
Scheme 1 核反应方程式
多罗西·克劳福特·霍奇金(Dorothy Crowfoot Hodgkin OM,1910年5月12日-1994年7月29日)英国化学家,1928年 英国牛津大学萨默维尔学院学习化学,1932年到剑桥大学师从贝尔纳。(贝尔纳善于使用X射线衍射分析技术来研究重要的复杂的有机分子)1934年她回到牛津大学担任结晶化学助教.1937年获得剑桥大学博士学位。其主要领域是X射线结晶学。1945年,霍奇金被认为是世界上最早的X射线衍射技术先驱,因此对于她最终揭开医药界最重要的一种化学药品——青霉素的结构,通过绘制青霉素原子的三维结构图谱,霍奇金铺设了一条研发青霉素半合成衍生物的新途径,为医生们提供了治疗病毒感染的全新希望。几年后,霍奇金使用同样的技术揭开了维生素B12结构,她于1964年赢得了诺贝尔化学奖。获奖5年后,她又破译了胰岛素的结构,被视为利用X射线晶体学研究蛋白质大分子结构的先驱之一。她曾先后次来过中国,对于中国科研提供了很大的帮助,她在国际上首先宣布中国科学家破解了胰岛素结构。不仅在学术界造诣很高,还是世界和平和裁减军备的拥护者,是民族自由奋斗的强烈支持者,是第三世界发展的支持者,她热情帮助中国、加纳、印度等第三世界国家的科研。有人说她是女魔法师,有人评价她是“一个拥有晶体般闪耀的心的女人”[1,6]。
图1. 英国女生物化学家、诺贝尔化学奖获得者多萝西•霍奇金的画像藏于英国国家肖像馆
阿达·约纳特(英语:Ada Yonath,希伯来语:עדהיונת),以色列科学家。1939年出生于耶路撒冷,1962年在希伯来大学获学士学位,1964年在希伯来大学获硕士学位,1968年在魏茨曼科学研究所获X射线晶体学博士学位。1970年组建了以色列第一个蛋白晶体学实验室,上世纪80年代开创了对核糖体结构——细胞的“蛋白质工厂”之谜的研究(即如何根据基因密码合成蛋白质)。因“核糖体的结构和功能”的研究而获得诺贝尔化学奖,也是历史上第四位获得诺贝尔化学奖的女性。人们亲切的称她为“以色列的居里夫人”[1]。
图2阿达·约纳特教授的漫画自画像
弗朗西斯·阿诺德(Frances Hamilton Arnold)1956年7月25日-美国的合成生物学家・生物化学家・生物工程学家。加州理工学院教授。她是第一位被选入美国三所国家科学院院士的女性。她是将定向演化应用于酵素制作的研究先驱,由于酶是化学反应的重要催化剂,她的研究促成了该技术广泛运用于生产生物燃料、制药等化工和生物工程领域。由于其在酶的定向进化过程中的贡献,弗朗西斯·阿诺德获得了2018年的诺贝尔化学奖。[1,7]
诺贝尔化学奖自设立以来,就与女性科学家有了不解之缘。在诺贝尔化学奖的历史长河中,虽然只有5位女科学家获奖。但是我相信在未来会有更多的女性科学奖获次殊荣。祝福我们的女科学家。
今天是三八国际妇女节,化学空间以此文致敬所有在化学领域的女性科学家们!
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本文来自日文版 翻译小编 Sum
校对加工 Jiao Jiao
2019年10月9日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2019年诺贝尔化学奖颁发给3位科学家,分别为美国科学家John B Goodenough(约翰·古迪纳夫)、英国科学家Stanley Whittingham(斯坦利·威廷汉)以及日本科学家Akira Yoshino (吉野 彰),以表彰他们在锂离子电池方面的研究贡献。
John B Goodenough是美国得州大学奥斯汀分校机械工程系教授,他通过研究化学、结构以及固体电子和离子性质之间的关系来设计新材料,解决材料科学问题,这其中,他发现的三种正极材料钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂是他所做出的最杰出的成就,这奠定了现代社会广泛使用的锂离子电池的基础。可以说,没有他的发现,我们现在所使用的手机电池,不过是一个“行走的炸药包”而已。值得一提的是,他今年已经97岁高龄,在去年的诺贝尔奖揭晓时,很多人都盼望着这位在锂电池领域有重要贡献的教授能够获奖,生怕老先生年事又高,此生若错过诺奖将非常可惜。今年Goodenough获诺奖,可谓是众望所归,同时也刷新了自从1901年诺贝尔奖设立以来获奖者的最高年龄新纪录。
Stanley Whittingham是纽约大学宾汉顿分校的教授,上世纪70年代早期,他致力于寻找可以摆脱化石燃料的能源,他通过研究超导体发现了一种能量非常丰富的材料TiS2,将其用在锂电池中创建新的阴极,而电池的阳极部分则由金属锂制成,这种金属具有强烈的释放电子的动力。由此,Whittingham开发出了一种可在室温下工作的可充电锂离子电池,尽管锂金属负极存在一系列的安全问题,TiS2电池的商业化并不成功,但不得不承认Goodenough之后在锂离子电池方面的杰出成就离不开Whittingham前期打下的研究基础,Whittingham提出的嵌入式的电池工作原理成为了之后新型锂离子电池成功商业化的基石。
Akira Yoshino 是日本名城大学教授,也是日本知名化学化工企业–Asahi-kasei(旭化成株式会社,以下简称旭化成)公司名誉研究员、获日本政府紫绶褒章的化学家。此次诺奖表彰他在使锂离子电池的重量更轻,输出功率更高,循环寿命更长作出了卓越贡献。其新型的锂离子电池被广泛的应用于智能手机,笔记本电脑及电动汽车等领域,对于改变人类的生活的方式有着深远的影响。
习惯了现代科技带来的便利生活的年轻人可能很难想象锂离子电池发明以前的世界是什么样子的。那个时候,手机尚未普及,最为常见的联系方式就是家里那台唯一且固定不动的有线座机,当你想要给你心爱的女孩打电话时,往往不得不通过他们的父母将电话转交给她,当然,你也可以提前约好时间,让心爱的女孩在家外面的公共电话亭等你的电话。。。不过好在随着无线电话的到来,现在你在自己的房间里就可以方便的联系到您的朋友。并且随着手机的出现,无绳电话和座机也渐渐的变成了过去,让您可以摆脱时间和空间的枷锁,随时随地的和任何人通话。不仅如此,那个时候的人们也完全不敢想象可以抱着一台电脑和传真机登上火车或飞机去办公的场景,在现在,随着笔记本电脑和无线网络的发展,这种随时随地都可以进行工作的移动终端设备早已变得司空见惯。而支撑这一切革命性变化的重要功臣正是锂离子电池的诞生,因此,锂离子电池也成为了这次革命的关键技术之一。
在过去,人们最早将“ 镍镉电池”作为一种可循环充放电的供电设备(称为蓄电池)。 但是,由于容量问题,镍镉电池的体积占据了非常大的设备空间,那个时候的一个“大哥大”有一个500mL饮料瓶那么大,但实际的电能容量却少的可怜。比起现在手机动辄4000mAh的内置电池,那时的电池容量只有500mAh左右。
就在这时,揭起了电池界革命的锂离子电池横空出世。
通过这些具有创新性的材料组合,可以实现超过3V的高电压。
Whittingham使用TiS2作为正极材料,通过在负极上使用锂金属,开发出了可以反复充放电的新电池。TiS2是一种层状化合物,这可以使得锂离子自由出入而不破坏其原本的结构,从而形成了可以反复充放电的物质。这种“可以使离子进入的夹层化合物”的设想被称为“插层”,此后,此夹层结构也成为了电池材料领域中被广泛使用的极其重要的技术方法。但是由于钛的硫化物很重,在和水等物质在一起反应时会不稳定,此时的人们仍然需要探索性能更高的新材料。
1980年,goodenough宣布,他发现钴酸锂这一氧化物更加适用于用作锂离子电池的正极材料。
这是一种与氧气具有相同氧化能力,并且不仅可以获得更高的电压,还能在即使反复充放电的情况下也能保持稳定的实用性新型材料。事实上goodenough本是学物理出身,他以研究有关氧化物内部电子性质的理论而闻名。在该研究中,他于1958年发现了一种与钴酸锂类似被称之为镍酸锂的化合物。goodenough用这种含锂的氧化物制成了锂离子电池,并且一同研究的研究员Koichi Mizushima(水岛 公一)等人还发现,改用钴酸锂可以更为有效地将锂置换和还原。
这种锂电池具有比以往的锰电池和铅蓄电池体积更小,却能够储存更多的电力的优点,但是也有另外一个致命的问题存在:当对电池进行反复充放电时,锂的表面上会堆积形成一些针状的金属物,当这些金属物的前端不断堆积到达了正极后会引起内部短路而发生爆炸。
接下来即将登场的就是当时电池研发和生产领域极富盛名的旭化成、索尼等日本企业。而当时正隶属于旭化成的Yoshino发现:只要在聚乙炔(也是曾获得诺贝尔奖的白川英树的发现)中引入锂离子就可以代替金属锂,并且通过在电极之间夹上聚乙烯膜,可以制成稳定性极佳的电池。在这种电池模型中,锂不会金属化,所以被命名为锂“离子”电池,在此之后,又有了进一步的改进成将使用诸如石墨之类的碳材料代替聚乙炔的一系列新技术改进。
锂离子电池与之前使用的镍镉电池和镍氢电池相比,体积小巧而储能优秀,并且自放电效应非常小,即使放置1年左右也能马上正常使用,另外因为单体电池极端之间产生的电压足够高,在需要高电压功能的情况下,也不需要串联较多的电池组,这更进一步的减少了在实际使用中电池占据的空间,也使设备的安全性有了进一步的提升。正因如此,这种新型的锂离子电池在各个技术指标上似乎找到了一个绝佳的平衡点,造就了易用性和安全性的完美结合。造就了我们现在身边随处可见,任何人都可以摆脱了电线和笨重的老式铅蓄电池,轻松的随身携带笔记本电脑和手机进行办公和交流的现代生活。而这也正是促使着普适计算和万物互联时代不断发展的源源「动力」。
当然,锂离子电池还被应用在了那些几乎不需要外接电源充电的电子设备中,比如一些太阳能设备和混动汽车中都可以看到锂离子电池的身影。
正是基于这样对人类现代化社会具有建设性意义的发明,本次的诺贝尔化学奖授予了推进锂离子电池技术发展的三位卓越的科学家。
从改变世界的意义上来讲,本次的三位诺贝尔化学奖获得者实至名归。特别是全面涉猎理论研究和实际应用的goodenough,可以说是当代大学研究者的典范。
在锂离子电池的基础研究开发中,虽然美国的贡献不小,但是在从实验室的理论研发到搭载于全世界亿万设备的实用化进程上,不得不承认日本企业很大程度上起到了主导地位,在锂离子电池研究领域中,还有与goodenough同时期研究钴酸锂的东京大学名誉教授Koichi Mizushima(水岛 公一)、以及在索尼与旭化成的技术竞争中开发出碳负极的 Yoshio Nishi(西 美绪)以及世界上其他大学、企业的研究者们,虽然他们没能有幸获得诺贝尔化学奖,但是他们在锂离子电池研究中所作出的贡献,也值得我们为此铭记和致敬。
近年来每到十月黄金周前后的诺贝尔奖揭晓之际,都会有多家新闻平台的热门评论报道。国内这几年科学媒体平台也越来越多。小编还记得四五年前,化学空间在专题介绍诺贝尔化学奖时还是为数不多的热门媒体,而近两年太多科学相关媒体平台的出现使我们倍感同行的竞争压力,但从另外一个角度,却欣喜这个全民科学时代的到来。今年的诺奖,我们再一次看到了日本人的身影。小编统计了一下,日本历届诺贝尔奖得主当中,目前包含取得美国国籍的日本人在内,Akira Yoshino(吉野彰)是第27人,上一次获得化学奖者是2010年得奖的Akira Suzuki(铃木章)与Eiichi Negishi(根岸 英一),Yoshino是第8位拿到诺贝尔化学奖的日本人。网络媒体近年来有很多关于“日本诺奖井喷”等标题的新闻和评论帖,不可否认,日本人在科学方面的高水平离不开国家投入、科研环境、国民教育、民族性格等种种因素,当然也早于我们很多年尊重教育和科学的态度才有了今天世界公认的科学成就,Chem-Station是日本化学界最大的门户网站,熟悉化学空间的读者都知道这里面很多内容都来自日文版、出自日本化学科研第一线的研究者之笔,希望今后依然能带给读者更多前沿的化学研究内容,传递不同的文化视角下对科学的领悟和解读。
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投稿作者 漂泊
白川英树(Hideki Shirakawa),日本著名化学家,第一种导电聚合物聚乙炔的发现者,因其在导电高分子领域的开创性贡献,他与艾伦·黑格、艾伦·马克迪尔米德一起分享了2000年的诺贝尔化学奖。
白川英树主要的研究领域是导电聚合物材料,他对导电聚合物研究的主要贡献在于他首次合成出高性能的膜状聚乙炔。他发明了一种用改性的齐格勒·纳塔型催化剂,在高浓度下得到具有金属光泽的膜状聚乙炔的有效方法。采用该方法所制得的聚乙炔是一种结构相当规整的半导体材料,具有有较高的结晶度,并且有利于掺杂。
白川英树在后续工作中通过碘掺杂实现了第一个全有机导电聚合物,碘掺杂聚乙炔的导电性提高了7个数量级。这一结果震惊了世界,它标志着导电聚合物这一高分子科学的重要分支的大门被打开了,白川英树也因此与同样在导电聚合物领域做出突出贡献的艾伦·黑格和、艾伦·马克迪尔米德共同获得了2000年的诺贝尔化学奖。
导电聚合物可以用于制造“合成金属”、分子导线,在柔性显示、集成电路等领域具有巨大的应用前景,潜力巨大。
聚乙炔结构式聚乙炔样品聚乙炔导电薄膜
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翻译投稿 alberto-caeiro
福井谦一(Kenichi Fukui,1918年10月4日—1998年1月9日),日本理论化学家,日本京都大学名誉教授,日本京都工艺纤维大学名誉教授(图片:nobelprize.org)。
1981年因前线轨道理论的提出,和Roald Hoffmann分享了诺贝尔化学奖。
对化学反应的选择性进行普适性的解释,非常强大的理论
在此理论中,亲电试剂的能量最低空轨道称LUMO,亲核试剂的能量最高占据轨道称HOMO。此理论认为,反应中当两个轨道的轨道系数重叠最大时,反应能够发生。LUMO和HOMO合称前线轨道。
Woodward-Hoffmann规则便是在前线轨道理论基础之上总结出来的。因此,1981年,福井谦一和Roald Hoffmann分享了当年的诺贝尔化学奖。
「メモしないでも覚えているような思いつきは大したものではない。 メモしないと忘れてしまうような着想こそが貴重なのです。」
「即使不做笔记也能记得的记忆力并不是很厉害的事情,不做笔记怕会忘记这种想法才是最珍贵的。」
「時間と空間を媒介して、宇宙空間の全ては因果関係でつながっている。」
「以时间和空间为媒介,能够连接起宇宙内的全部因果关系。」
「ひとりの人間は、無限の過去、無限の未来とつながっている。」
「一个人是由无限的过去和无限的未来组成的」
「科学者を目指す若者に中等教育で最も励んで欲しいのは数学、特に平面幾何学である。」
「以科学家为目标的年轻人在中等教育中,最应该被鼓励学习的内容是数学,特别是平面几何数学」
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