“不务正业”的诺贝尔化学奖，今年能够回归化学吗？

科普中国-科普融合创作与传播 2020-10-04

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　　化学诺贝尔奖向来“慷慨大方”，常常把奖发给跟生物或者物理沾边的成果，各国化学家苦秦久矣，然而诺奖委员会仍然是我行我素。不过，这种趋势倒是很好地说明了化学家们都是万金油，在各行各业都能发光发热。

　　今年诺贝尔化学奖会花落谁家？

　　我们今天就来大胆做一波预测，看看下面这些研究能否在今年斩获桂冠，虽然其中仍然有个别成果算不上那么的“化学”。

　　来源：Freepik.com

　　“老树发新芽”的可控自由基聚合

　　“可控自由基聚合”是真正意义上的化学研究，它解决了一个困扰化学界上百年的问题：如何让狂放不羁的自由基聚合反应成为温顺的“小绵羊”？

　　自由基，是化合物分子在光热等外界条件下，内部的共价键发生均裂，从而形成具有不成对电子的原子或者基团，它具有极高的反应活性。所谓自由基聚合，是指利用自由基实现有机物聚合的化学反应，同时也是生产高分子聚合物材料最为常见的形式。人类合成的所有高分子聚合物中，利用自由基聚合方式生产的产品超过三分之一。

　　为什么自由基聚合最常见？

　　道理很简单，自由基聚合起来特别容易，在水中就能够进行，反应成本低，并且产率还高。

　　我们以最常见的自由基聚合单体——乙烯为例来对自由基聚合反应的原理进行简要的说明。

　　乙烯的分子结构非常简单，两个碳原子间形成双键，再各自拖着两个氢原子。正常情况下乙烯比较稳定，不会自行分解，碳碳双键更是不会自行断开。不过，一旦有自由基出现在整个体系中，碳碳双键就可能受到自由基的“进攻”，从而发生断裂。当然，断裂的结果并不是双键同时断开，而是其中一条保留成碳碳单键，另一条则断开，最后在两个碳原子上各自形成一条半键。而这两个半键，正好又形成了新的自由基。

　　新的自由基又会跑去进攻其它双键，最后的结果就是大家的双键统统断裂，然后以单键的形式连接起来，形成很长的链式分子。

　　不过，自由基在体系内最初是不存在的，因此我们需要“制造”一点自由基，以便让它作为“引线”，引爆之后的聚合反应。

　　乙烯分子、聚乙烯单体和带有支链的聚乙烯分子，来源：作者自制

　　生产聚乙烯时，常见的引物是碘单质。碘单质有个特点，因为它自身是双原子分子，单个原子半径又很大，因此两个原子中间的共价键连接不是非常紧密。好比是两个大胖子面对面手拉手，结果肚子太大，做不到非常“紧密”。光照下的碘单质特别容易分解出自由基，而乙烯并不挑肥拣瘦，不论自由基是来自碘还是来自其它乙烯分子，它统统能收入囊中。

　　聚合反应随即启动，乙烯分子们的双键不停断裂，又不停地和其它断裂后的自由基相连，最后大家就聚合成了一个大分子。乙烯的聚合反应发生速度非常快，只要一秒钟的时间，就能让成千上万个分子聚合在一起。最后，开始作为引物的碘单质虽然也连接进了聚乙烯分子，但是毕竟只是起到催化剂作用，相比乙烯分子数量很少，不会影响产物纯度。

　　自由基聚合的典型反应示例，来源：参考文献2

　　看到这里，你可能会觉得，聚合反应这么简单，过程酣畅淋漓，简直就是完美反应。

　　然而，自由基聚合反应的缺点就在于它进行得实在太快，而且中间的细微过程完全不受控制。

　　首先，各种聚合物到最后并非形成一个大分子，而是很多个链状分子形成的网络。每个链中，包含的平均单体分子数目叫做平均聚合度。普通的聚合反应中，各链之间，聚合度变化很大，有些链特别长，有些链则没几个单体就断开了。

　　其次，更让人挠头的是，由于瞬间产生的自由基太多，有些单体带着自由基瞎跑乱窜，结果可能会把本来连得好好的直链接的乱七八糟，纵横交错。

　　聚合物在结构上有个特点，单体排列越规整，各链间分子量差距越小，密度就越大，强度也就越高。

　　还是以聚乙烯为例，日常生活中低密度的聚乙烯呈现透明状，质轻而成本低，常常作为超市食品称重前的包装。而高密度聚乙烯则呈现乳白色，成本跟强度相对高一些，常常作为购物袋使用。

　　也就是说，如果能够把自由基聚合的过程控制好，让反应顺着人们的意志和设计进行，我们就能够得到各种各样符合期望的产品，高分子聚合物的种类也可能大大增加。这一愿望是美好的，但是它实在是简约而不简单，人类一直到90年代中期才实现这一美好的愿望。

　　1995年，克日什托夫·马蒂亚谢夫斯基提出了原子转移自由基聚合（ATRP）。同期日本京都大学的泽本光男也独立提出了类似的反应概念。此后，埃齐奥·里扎多也提出了可逆加成断裂链转移（RAFT）和氮氧化物介导自由基聚合（NMP）。这些反应的具体机理当然都比较复杂，但是他们的出发点都是降低自由基聚合反应的速率，让其处于可控状态。

　　原理上来说，可控自由基聚合反应中，往往要在聚合物体系中额外添加一些特殊的化合物，它能与活性种链自由基进行可逆的链终止或链转移反应。说白了就是，自由基被这种特殊的化合物给缠上了，没法像以前一样自由的到处乱扎，但是它并非完全失去自由，而是在这种化合物的引导和安排下进行反应。

　　普通自由基聚合形成的支链结构（左）和可控自由基聚合形成的规整结构（右），来源：参考文献1

　　最终的结果就是，可控自由基聚合反应可以根据人的意志生成各种不同聚合度的分子，同时还可以调控分子结构，避免形成杂乱的支链，而是形成彼此长度接近的直链。

　　此外，它还给新型分子结构的设计带来了极大的自由。例如，我们可以以某个球形结构为中心，让长度高度一致的长线状的分子像刺猬一样从球面上长出来。聚合反应不可控的时代，这类分子很难制作，因为分子的长度不一，朝向也歪七扭八，想做个刺猬结果却成了随机线团。

　　可控自由基聚合的技术路径一经提出，立刻吸引了全球实验室和各大化工厂商的关注，目前它的发展潜力还完全看不到边界。如果可控自由基聚合研究获得诺奖的话，也算是众望所归。

　　各种“刺猬”分子示意图，来源：参考文献1

　　都听说过光刻机，你知道光刻胶吗？

　　光刻机恐怕是每一个国人心中的痛，这种机器让我们吃尽了技术封锁的苦头。可以说，光刻机是整个半导体工业中的核心设备之一。正是随着光刻机技术的不断改良，半导体工业才能在几十年间延续摩尔定律的发展势头。

　　不过，你可能不知道的是，在光刻相关技术的发展过程中，曾经因为材料无法及时改良而差点陷入瓶颈。这一关键材料，就是化学放大光刻胶。

　　了解光刻胶之前，我们先来说说光刻工艺。在集成电路的制造过程中，光刻是非常重要的步骤。芯片从晶圆上线到包装出厂，中间要经历多次光刻。具体来说，光刻就是用特定波长的光照射需要加工的芯片晶圆，在照射之前晶圆表面会涂覆一层光刻胶，光刻胶会均匀地附着在晶圆表面，形成一层薄膜。

　　当光源照射时，光刻胶和光源中间还有掩膜的遮盖。所谓掩膜就是一个刻有各种形状图案的挡板，镂空部分光线可以穿过，然后照到光刻胶上。而非镂空的部分光线不能穿过，被其挡住的部位光刻胶不会受到影响。

　　光刻胶是一种对光照敏感的物质，光照下内部的分子结构会发生改变。比如原来不溶于某种溶剂，经过光照后就可以很容易地溶解进同一种溶剂。这样一来，经过这种显影溶剂的清洗，掩膜的图案就被转印到了光刻胶上。这时我们再用其它工艺（例如蚀刻等）对晶圆进行处理时，光刻胶保护着的部分就不会受到影响。此外，光刻胶还分为很多种类型，有些是遇光分解，有些则是遇光固化，这两种光刻胶最后转印出的图案正好相反（类似篆刻的阴文阳文）。

　　在半导体工业发展早期，人们已经开始使用光刻胶了。但到了80年代，工程师们却忽然发现原来的光刻胶不好用了。

　　这是怎么回事呢？原来，随着半导体工业水平的发展，集成电路的集成水平不断增加，加工极限越来越高，从毫米级到微米级，甚至到纳米级。

　　根据摩尔定律，每24个月，半导体上集成的晶体管数目就将增大一倍，原有光刻工艺中最先让摩尔定律遇到瓶颈的是光源。我们都知道，决定光学系统分辨率极限的是光波的波长，波长越短这一体系的极限分辨率就越高。好比用毛笔写字总是比钢笔要粗，极限分辨率越高，自然就意味着能够刻画更加精细的图案。

　　工程师们很快攻克了波长更短的光源，但当他们满怀信心地尝试进行光刻时，却发现一个非常致命的问题，原来的光刻胶不好用了。原来光刻胶也存在自身的感应极限，当波长变短后，它们的光敏性变差了，没法匹配上新光源带来的高分辨率。

　　于是，皮球又从机电工程师脚下踢回到了材料工程师这里。70年代后期，位于硅谷的IBM实验室已经在着手开发高敏感性的光刻材料了，负责这一团队的是格兰特·威尔森，他的目标是开发出能够匹配254纳米波长深紫外光光源的光刻材料。

　　1979年和1980年，威尔森分别迎来了两位得力帮手。来自加拿大渥太华大学的副教授让·弗莱切特和当时在纽约州立大学研究多糖合成的日本科学家伊藤洋加入了他的团队。

　　三人团队在研发初期就敏锐地把握住了正确的研发方向，既然反应不够灵敏，那么能不能通过添加一些类似催化剂的材料让反应变灵敏？

　　在威尔森的领导下，弗莱切特和伊藤将开发重心放在了化学放大光刻胶材料上。所谓的化学放大，就是在原本的光刻胶体系中加上一些具有催化性质的引物，这样当受到光照，引物就能引发链式反应，起到放大光敏特性的效果。

　　虽然同时期的很多学者担心不受控制的化学放大反而会让光刻胶的性能下降，三人组还是坚定了最初的方向。在幸运女神的眷顾下，它们很快发现了一个潜在的化学放大反应机理。当在它们开发的光刻胶系统中加入光照下能够产生氢离子的材料，氢离子就会和光刻胶中的某些基团发生反应，而这些基团正是决定光刻胶是否有碱溶液中溶解性质的关键。

　　反应发生时，氢离子和基团反应将其转化为碱中可溶，同时还会放出氢离子，这个氢离子又会继续同其余基团发生反应。这一反应平稳可控，不仅可以促成光敏性质的提升，还不至于破坏材料本身的稳定。1982年，三人组发表论文，正式公开了这一新技术。

　　化学放大光刻胶曝光过程示意图，来源：参考文献2

　　在随后的几十年中，各种性能的化学放大光刻胶如雨后春笋不断涌现。如今，化学放大光刻胶已经广泛应用于现行的深紫外光源和准分子激光光刻中，在最先端的极紫外光刻（波长1～10纳米）和电子光刻工艺中，化学放大光刻胶仍然能够满足应用需求。可以说这三位科学家的伟业让人类成功渡过了半导体工业历史上的一大劫难。

　　遗憾的是，在与癌症进行了长期斗争之后，伊藤洋还是在2009年6月离开了人世。威尔森和布莱切特能否在今年获得诺奖，以告慰伊藤洋的在天之灵，我们拭目以待。

　　不太“化学”的候选者们

　　诺贝尔化学奖素有“诺贝尔理科综合奖”之称。这些不太“化学”的研究，也有可能问鼎诺贝尔奖。包括万年大热门基因魔剪；还包括可能获得物理学奖又可能获得化学奖结果啥奖也没得上的千年遗珠——碳纳米管；还包括跟生物沾点边但是本质是化学研究的金属蛋白以及DNA寡核苷酸合成；同时还有利用化学方法解决纯粹生物问题的分子伴侣以及未折叠蛋白质反应等。除此之外，有机发光二极管（OLED）、像差校正透射显微学等研究成果同样具有极高呼声。