设计分子是否准备好将我们带入一个新的化学维度?本周，我们将探索，早在本生灯点燃之前，计算机辅助化学如何使我们能够在计算机上创造出想象中的新分子、反应和设计催化剂。我们还通过参观一家生产沸石的工厂来深入研究化学物质是如何大规模生产的。在新闻中，代谢氢的细菌如何给深海贻贝增加能量，重新编程的免疫系统细胞如何消灭癌症，以及大自然的证券交易所——植物和真菌如何发展出地下自由市场经济来交易资源。
在这一集里
在深海贻贝中发现氢燃料电池
在深海热液喷口的黑暗海洋深处茁壮成长的贻贝利用氢的能量，这要归功于它们鳃内的共生细菌充当“燃料电池”。这一发现揭示了第三种能源，除了硫化合物和甲烷，为深海中缺乏阳光的生态系统提供动力。
由德国马克斯普朗克海洋微生物研究所的吉莲·彼得森和妮可·杜比里尔领导的一个研究小组，在大西洋中脊水下3公里处探索了一个名为Logatchev的热液喷口。
从这些喷口喷出的过热水的氢含量是热液系统中测量到的最高的。彼得森和他的团队想知道是否有任何生物利用了这种潜在的丰富的能源——氢是一个很好的电子供体，氢氧化释放的能量比甲烷或硫要高得多。
为了找到答案，他们派出了遥控潜水器，打捞出了贻贝的活体样本Bathymodiolus它们聚集在这些通风口周围。回到甲板上，研究人员发现生活在贻贝鳃内的硫氧化细菌也可以由氢提供动力。它们有一个名为hupL的基因，该基因编码一种关键酶，这种酶参与利用氢的能量，将氢分子分解成两个氢离子和两个电子。
该团队也证明了这一点Bathymodiolus贻贝在实验室和热液喷口的现场设备上都能吸收大量的氢气。他们发现，直接从喷口喷出的水的氢含量要比穿过含有多达50万个贻贝的密集河床后的水高得多。
到目前为止，只有自由生活的细菌被证明使用氢作为能量来源。
其他动物，包括巨型管虫，Riftia，还有虾Rimicaris exoculata-生活在热液喷口附近，那里的氢含量比洛加乔夫少，但事实证明，它们也有利用氢的能力。它们也拥有带有hupL基因的共生细菌，这表明利用氢的能力在喷口群落中广泛存在。
这篇论文发表在本周的杂志上自然．
重新编程T细胞以杀死癌症
科学家们首次利用基因工程对免疫细胞进行重新编程，成功地消除了一种形式的肿瘤细胞
人类血癌。
宾夕法尼亚大学的科学家Michael Kalos和他的同事在《科学转化医学》杂志上发表文章，从三名患有这种疾病的患者身上收集了T淋巴细胞(一种白细胞)B细胞淋巴细胞白血病(B-CLL)。
在细胞培养中，一种类似于HIV的修饰病毒被用于向T细胞中添加编码4-1BB信号的基因序列，这种信号可以促进活跃的T细胞增殖，以及一种抗体样结构，这种结构可以选择性地识别由恶性B细胞表达的CD19化学标记物。
1000万到10亿个重新编程的T细胞被重新注入到每个患者体内，这些细胞在患者体内保持高水平至少6个月，无情地追捕并摧毁血液、骨髓和淋巴结中的白血病细胞。
后续测试表明，每个注入的T细胞至少摧毁了1000个白血病细胞，导致每个患者平均超过1kg的癌组织被破坏，其中两名患者在治疗后完全缓解。
以前尝试使用这种过继免疫疗法正如这种方法所知的那样，由于经过修饰的T细胞在循环中的长期持久性较差，这种方法一直受到挫折。这使得潜在的疾病再次“逃逸”，引发复发。
但研究人员认为，他们在这种情况下成功的关键是使用了额外的调节4-1BB成分，也称为CD137。他们认为，通过加入这一成分，经过修饰的T细胞在对抗疾病的过程中被刺激繁殖，从而帮助维持它们的数量。
不过，这并非一帆风顺。当靶向CD19确保修饰的T淋巴细胞只攻击B细胞时，这意味着健康的、非癌性的B细胞也会受到攻击。由于这些细胞在免疫防御中发挥着重要作用，包括产生抗体和提供储存的感染“记忆”，因此失去它们会使患者容易受到感染。这可以在未来通过开发专门针对恶性细胞的T细胞攻击的方法来避免，但这仍然有一段路要走。
同样重要的是要强调，目前的试验只涉及3名患者，到目前为止，他们的随访时间还不到一年。因此，研究结果需要谨慎解读，尽管持乐观态度。
大自然激发了高速氢气生产
莫里斯·布洛克博士，太平洋西北国家实验室
克里斯-我们邀请到了莫里斯·布洛克博士，他是这项研究的科学家之一。你好,莫里斯。
莫里斯-你好。
克里斯-谢谢你加入我们的裸体科学家节目。金宝搏app最新下载如果你愿意，请开始吧，告诉我们，当你开始工作的时候，你的实际目标是什么?你为什么要这么做?
莫里斯-我们研究的目标是开发电能和化学能之间转换的方法。原因是我们都希望在未来我们能使用更多的可再生能源，比如太阳能和风能。为了使其尽可能有效，我们需要有储存能量的方法。当然，有时候我们想要在没有阳光的时候，或者没有风的时候使用能源或电力，所以更多地利用这些可再生能源是很重要的，我们要找到一种将电能转化为化学能的方法。
克里斯-换句话说，你把电能转化为氢气，你希望能够高效地完成这个过程，然后在太阳不亮的时候再从氢气中获得能量。
莫里斯:完全正确。我们用的是电。我们正在做一个电化学实验。我们转换电能;我们把两个电子和两个质子转化成氢。这样我们就把电能以化学燃料的形式储存起来，在我们的例子中，就是氢。然后是氢。当你需要电的时候，它就会出现，然后我们就会以完全相反的方式进行反应。这就是在燃料电池中发生的事情，你把氢输入燃料电池，然后把电放出来。因此，我们最近开发的催化剂将电转化为氢的速度比以前的催化剂快得多。
克里斯-自然界中有什么能做到这一点，自然形态有什么问题?为什么我们不能用它呢?
莫里斯:嗯，大自然的那些细胞非常高效。它们是极好的催化剂，但它们存在于氢化酶中，这种酶存在于微生物中，以及自然界中类似的物质中。问题是它们存在于一个非常特定的生物环境中，在自然环境之外往往不那么稳定。
Chris -那么你能做的是什么你是如何利用这些细菌，那些有氢化酶的微生物，来构建这种新的催化剂的?
Morris -我们所做的是观察氢化酶是什么样子的。然后我们试着去模仿重要的功能特性。特别是，我们知道氢化酶是基于金属，如铁或镍，所以这些都是廉价的金属，而不是像铂这样的贵金属。我们看到的第二个关键特征是氢化酶的一个关键化学特征就是我们所说的垂坠胺。这就是含氮基团它有一个碱基帮助质子移动。我们所做的就是结合胺的功能，把质子移动到结构中的基本位置，我们发现更有效地移动质子对快速催化剂有很大的影响。
Chris -所以不用依赖酶，因为酶是以蛋白质为基础的，所以更难处理，你可以制造固态。基本上是一种晶体结构，各种化学物质在合适的地方进行化学反应。但如何构建这种催化剂呢?你是如何把这些化学基团，包括你提到的镍和铁，放在正确的位置上的?所以反应进行得和酶一样好，或者更好，但不需要酶?
莫里斯-这些都是在实验室里合成的，所以这些是完全合成的分子。我们组装一个包含两个磷原子的环来与金属结合，然后在两个磷原子之间是一个含有胺的氮。然后我们把它连到一个镍上。在这种情况下，它只是一个镍催化剂，没有任何铁参与所以它只是一个镍分子有两个我们称之为配体的金属化学连接体，和胺连接体。我们在实验室里合成，然后我们做实验，观察电到氢的转化。
克里斯:与微生物相比，它有多好?
莫里斯:据报道，天然氢化酶的周转速度最快，也就是我们所说的周转频率，是每秒9000个。我们最近制造的氢化酶每秒翻转10万次，所以它比天然的氢化酶快大约10倍。
克里斯-如果我们尝试将其工业化，那么在经济上和科学上是否真的可行以我们所需要的规模来生产这些东西?
莫里斯-我认为以目前的形式使用这个在经济上是不可行的。我们正在研究基础科学，我们认为我们所做的发现将有助于向我们展示如何采取下一步行动，制造出更好的产品，但即使这是一个非常快的速度，在这一点上，效率还不够好，不足以使它在工业环境中真正可行。
Chris -所以还有很多工作要做，但是，恭喜你，这是一个很棒的研究。我是莫里斯·布洛克。他来自华盛顿州的太平洋西北国家实验室，你可以在本周的《科学》杂志上找到这篇论文。
植物和真菌是自由市场经济的先驱
一项新的研究显示，不仅仅是人类创造了市场经济，用一套商品交换另一套商品——植物和真菌也会以物易物，交易受到市场力量的制约。
写在科学弗列耶大学的研究员托比·基尔斯和他的同事们展示了植物的根是如何为土壤真菌提供糖的，以换取它们自己无法制造的磷和其他营养物质。这意味着植物可以有效地利用真菌菌丝的广泛分支的地下网络，几乎作为其自身根系的延伸。
但这并不是一个简单的给予和索取的例子:植物的根可以区分慷慨或不慷慨的伙伴，并向那些更慷慨提供营养的真菌支付更高的糖价，反之亦然。因此，小气鬼真菌在价格上被更慷慨的同类挤出了市场。
该团队通过使用放射性标记的碳和磷来跟踪一种类似三叶草的小型植物之间的物质交换，从而发现了这一发现Medicago truncatula和三种密切相关的真菌，interadices, Glomus aggregatum和Glomus customs．
在最初的一系列实验中，植物根在培养皿中与不同的真菌分开生长。血管球interadices研究小组发现，持续地为植物提供更多的磷，并持续地获得更多的糖。血管球所谓复合物不太愿意提供磷，因此得到了较低的糖支付，而血管球监督人是彻头彻尾的自私，以一种植物无法利用的形式提供磷，因此得到的回报很少。
但是，当这三种植物在同一根下一起生长时，植物是否能够分辨出谁欺骗了它，从而对冒犯者施加惩罚?令人难以置信的是，答案是肯定的。当这三种真菌与同一组根一起共同培养时，较不慷慨的真菌物种得到的回报始终低于较慷慨的真菌物种，这实际上使它们被挤出了市场，在短时间内成为主要的营养供应商。
这表明植物和真菌之间的这种菌根关系，被认为已经存在了超过4.7亿年，甚至可能使植物在泥盆纪时期第一次殖民土地，代表了一个真正的地下自由市场经济，巴拉克奥巴马会为此感到自豪!
19:33 -地球微生物组计划
地球微生物组计划
与蒂姆·赫希
一项名为“地球微生物组计划”(Earth Microbiome Project)的新全球倡议计划建立一幅栖息在地球每个角落的数十亿细菌的基因图谱，并找出它们如何融入地球的生态系统。《地球脉动》播客记者蒂姆·赫希采访了一些参与其中的科学家……
巴西的大西洋森林是地球上最多样化的生态系统之一。例如，在这里，你可以找到近一千种鸟类，在一公顷土地上发现了400多种树木。多亏了DNA测序，像玛西娅·兰巴斯这样的研究人员现在能够发现生物多样性的一个全新层面。
玛西娅:我们在这里发现的是，每一种树种都有自己的细菌群落，它们生活在树叶上，我们发现生活在树皮上的细菌也有同样的情况，它们与树根有关。我们估计，每一种树种的叶子表面大约有500或600种不同的细菌。
蒂姆:只是在叶子表面?
玛西亚:没错。
蒂姆:然后你下到树皮那里?
玛西亚:哦，那你还有200或300个。如果你往下看，大概有1000个，甚至更多。
我们这里有三个盒子，是英国土壤的代表性样本。
蒂姆-我把热带雨林的高温换成了牛津郡生态和水文学中心的冷冻室，罗布·格里菲斯(Rob Griffiths)正在那里用类似的技术研究英国土壤中微生物的多样性。
罗伯:每个样品上都有条形码。我们可以很好地追踪样本在野外的确切位置:这些信息是作为农村调查的一部分收集的，包括那里的植物种类、气候、GPS位置。
蒂姆:好吧，这里有点冷了，我们还是把箱子关上，到外面继续聊吧，不然我们都冻死了。
罗布:我们现在在实验室里。我们在冰箱里有非常小的管子，用来称量土壤的重量。基本上，我们现在要做的就是提取DNA。所以土壤里所有的DNA。
蒂姆:这意味着你不是在看单个生物体，而是在看整个生物体内部的DNA，对吗?
罗布:是的。我们并没有真正看到任何生物。但我们确实知道，即使一个细胞看起来和另一个细胞一样，也可能有完全不同的基因组成。不幸的是，观察这些生物生态的唯一方法，就是观察它们的DNA。
蒂姆:下一个问题，也是比较难的一个，为什么这很重要?我们对这些东西了解得越多，它在未来对我们的帮助有多大?
这是最基本的问题。一旦我们知道在哪里发现了不同类型的微生物，我们就可以开始做真正有趣的科学研究了，也就是看看我们在一种土壤中发现的不同多样性是否与另一种土壤有关系。
蒂姆:所以它可以帮助，例如，了解人类对环境的影响?
罗布:是的。完全正确。人类对环境的影响是我们管理土地的方式，影响微生物的多样性。这是否会对温室气体循环产生进一步的影响?土壤中的微生物是温室气体循环的重要调节者。
来自农村调查的样本将成为一个雄心勃勃的项目的一部分，该项目旨在建立微生物生物多样性的全球图景——一种世界微生物地图集。地球微生物组计划由芝加哥氩实验室的杰克·吉尔伯特负责协调。
杰克:我们需要了解生态系统中的微生物是如何控制生态系统健康的，因此，地球微生物组计划想要调查世界各地的微生物。我们试图了解它们在每个生态系统中做了什么，以及它们是如何影响生态系统的功能及其提供的服务的。
蒂姆-杰克·吉尔伯特曾在普利茅斯海洋实验室工作，分析英吉利海峡的微生物。他的研究小组发现有一个明显的季节循环，因此冬天发现的细菌种类比夏天多得多。同样来自生态和水文学中心的道恩·菲尔德教授参与了这项研究。
道恩:很长一段时间以来，人们一直在争论微生物是否无处不在，所以地球上的每个地方都有相同的微生物，但环境只选择了少数非常非常丰富的微生物。或者我们真的在不同的地方发现了完全不同的社区。我们在那里做的一些进一步的工作实际上表明，在很多方面，同样的社区在那里，这只是比例的变化。所以可以说，在一年中的不同时间，某些微生物谱系表现得更好，开始大量繁殖。
蒂姆:所以你只是在一年中的特定时间才发现它们，但它们总是在那里?
道恩-没错。举个例子，如果你想对石油泄漏进行补救，把营养物放在泄漏的石油上，把那些可以吃石油的微生物从背景中拉出来，比引入新的微生物更有效。
海伦-道恩·菲尔德来自生态和水文中心，蒂姆·赫什为您报道。
设计酶-超越生物学
与华盛顿大学的大卫·贝克教授合作
蛋白质是自然界中最重要的化学物质之一。蛋白质的结构赋予它特定的化学和机械特性。预测蛋白质的结构可以让我们设计出全新的蛋白质和酶，帮助催化一系列反应。华盛顿大学的大卫·贝克教授在这个方向上取得了重大进展。
蛋白质几乎承载着你身体所有的基本功能。它们本质上就像机器。它们有非常精确的三维结构，这对它们发挥功能至关重要。我们正在努力制造新的机器，新的蛋白质机器来做新的事情。
克里斯:如果我们放大一种酶，问它是如何工作的，答案是什么?
大卫:你看，在外面，你可以看到支架将酶中的特定基团固定在非常精确的位置上，以进行化学反应。
克里斯-生意的目的是什么?脚手架是如何使化学反应像酶那样发生的呢?
大卫:它提供了一个非常精确的化学环境，在这个环境中，反应的限速步骤大大加快了。在正确的地方有所有正确类型的正电荷和负电荷来加速反应。
Chris -所以如果我们观察酶的活性位点，也就是酶进行化学反应的地方，你会看到蛋白质的一个区域它的形状正好可以容纳一个分子。然后，正确的化学基团出现在正确的位置来转移电荷，或者扭曲，或者移动分子，以使某些事情发生。
大卫:完全正确。
克里斯-所以大自然在这方面做得很好。我的意思是，我们的身体是一个化学反应的大袋子。你是说，我们可以借鉴大自然的做法，弄清楚这些东西是如何运作的，然后创造新的东西?
大卫:没错。所以我们可以利用自然界中蛋白质的基本原理，然后尝试制造新的蛋白质，这些蛋白质可以做新的事情，对社会有帮助，因为我们面临着许多自然界在生物进化过程中没有遇到的问题。
Chris -我想，这样做并不简单因为如果观察一种酶，你会发现蛋白质中有几百个氨基酸构成单元，自然界中存在着很多不同的氨基酸它们可能存在于任何一个位置。所以有很多可能的组合可以形成这种结构。那么如何解决这样的问题呢?
大卫:是的，你说得对。有一个天文数字的组合，可能的氨基酸序列的数量。我们解决这个问题的方法是关注化学反应将要发生的活性中心我们建立模型来确定完美的活性中心是什么，它会催化化学反应。一旦我们这样做了，我们试着想出一个支架来固定所有的关键基团来进行它们的反应。
Chris -你是怎么决定哪些化学基团应该放在哪里的?
大卫:我们根据量子化学计算和化学直觉来决定哪些化学基团应该去哪里，这些直觉是关于反应可能如何加速的。你实际上评论了几种可能的方法。例如，假设有一个反应，两个分子结合成一个分子。在溶液中，它们会彼此独立地漂浮它们很少会以正确的相对方向聚集在一起，比如在它们之间形成键。在设计好的酶中，你会为一个分子设计一个结合位点，为另一个分子设计一个结合位点，它们会被固定在正确的方向上这样它们之间就能形成键。
克里斯-你说的很简单，但我肯定不是。
大卫-不是的。基本上有两个问题。首先，我们做了一个关于如何加速反应的假设。我的意思是，在我给你的例子中，很直观地，如果你把这些分子聚集在一起并使它们保持正确的相对方向，你就会加速反应。但事实并非总是如此。第二个困难是，我们可能希望能够创造出结合位点，使两个分子保持相对于彼此的正确方向，但实现这一目标是一项艰巨的任务，需要掌握蛋白质折叠的规则。我们想设计一个氨基酸序列，使蛋白质以这样一种方式折叠，从而产生这两个结合位点。所以这两个都是具有挑战性的问题。
Chris -你刚才提到了氨基酸。大自然赋予我们一些我们在生物学上使用的东西。我的意思是，你在我体内发现的大多数蛋白质都应该含有20种常用氨基酸中的一种。如果你可以定制蛋白质，你就不会像自然界那样受到限制，所以你可以做出各种令人兴奋的反应。
大卫-没错。因此，我们现在正试图利用自然界的20种氨基酸来创造设计好的蛋白质。
Chris -你能用它做什么函数呢?
大卫:人们可以做的一件事是将通常不会与自然产生的蛋白质结合在一起的金属结合起来，比如钌，这种金属可以用于光捕获。你可以结合自然界中没有的强大的化学功能来进行更复杂的反应。
Chris -所以你基本上可以做自然不能做的化学如果你首先了解自然是如何产生它所做的结构的。除了酶之外，蛋白质还能做什么呢?因为蛋白质可以做各种各样的事情，它们不仅仅是催化反应。
大卫:蛋白质有很多不同的功能。它们的另一个作用是与其他蛋白质和目标紧密结合，例如，病毒和细菌进入你身体的方式。它们的表面有蛋白质可以识别你细胞上的蛋白质受体这是进入你身体的第一步。因此，分子识别是蛋白质的重要功能，这是我们正在积极研究的。我们最近设计了非常小的蛋白质来防止流感病毒感染细胞，我们现在正致力于制造小的蛋白质抑制剂来阻止许多不同类型的病原体进入细胞。
Chris -换句话说，通过了解微生物自身的结构来锁定目标细胞然后穿透，如果你了解了病毒或细菌在做什么，你就可以制造出一种互补的蛋白质或分子来打断这个过程因为它比细胞更能与目标细胞结合。
大卫:完全正确。
克里斯:那么我们离能够写出一些通用的食谱还有多远呢?人们会说:“对。我有一个特定的结构或特定的目标——无论什么微生物是这个月的味道——我想打断它的传染性。”你能做到吗?
大卫:嗯，这正是我们正在研究的，我们的目标正如你所描述的那样，创造一种通用的、快速的过程，在这种过程中，给定一种新的病原体，你可以指着它表面的一个区域说，“阻止它”，几周后，你就能阻止它了。我可以说，我们也试图让公众参与到这些努力中来，因为我们有一个名为“折叠它”的在线视频游戏，公众可以参与到酶设计和抑制剂设计中来。事实上，近几个月来，“折叠游戏”玩家在这两个领域都做出了令人兴奋的贡献。
克里斯:你用了多长时间来设计出一种定制的分子，可以像你描述的那样阻止流感?
大卫-我们花了一年半的时间。
克里斯-这涉及到全球数百万个计算机小时。
大卫:是的。
Chris -所以这不是一个要解决的小问题。
大卫:不，一点也不。但我们正处于起步阶段，我们希望随着我们对如何做到这一点了解得更多，我们将能够更快地做到这一点。
计算化学物质和晶体
剑桥大学的格雷姆·戴博士
为了设计有用的新化合物，我们需要确切地知道任何新化学物质的结构。计算机模型与更传统的晶体学相结合，在预测任何给定分子如何自我排列方面处于领先地位。
我们刚刚听说了蛋白质的结构对它们的功能有多么重要，但是同样的道理是否也适用于我们想要为自己设计的其他类型的分子呢?
格雷姆:是的。我特别关注比蛋白质小得多的分子，我们不仅对分子结构本身感兴趣，而且对我们结晶分子时得到的物质结构感兴趣。
海伦:那就是你把很多分子放在一起，形成更大的物质。
格雷姆-制造固态结构，最稳定的固体形式的分子，是制造一个晶体结构，其中的结构周期性重复。
所以，分子内部的结构可以告诉你，当你把很多分子放在一起时，它是如何形成一个固体结构的。
格雷姆:嗯，我们想要弄清楚的是分子结构和晶体结构之间的关系，当你结晶一个分子时，你最终会得到晶体结构。这和官能团，也就是分子中原子的排列方式有关，这些官能团相互排列的方式决定了分子在溶液中相遇和结晶时的排列方式。
海伦:好的。那么你是如何建模和预测这些分子的结构，以及它们聚集在一起时的晶体结构的呢?
格雷姆:好吧，我研究晶体结构预测这个问题已经好几年了。我们正在尝试开发计算模型，这样我们就可以在分子合成之前就得到它
D，就是分子的图像，比如说，化学图，然后我们用量子化学的方法得出分子本身的三维结构。然后我们把它输入电脑，让它告诉我们分子可以打包成晶体结构的所有可能方式。
海伦:所以本质上，你画出你的分子，然后你可以开始理解你认为它会如何表现。
格雷姆:是的。所以我们想要预测晶体结构是如何形成的，然后这将与我们从材料中得到的性质有关。
海伦:太好了，那你需要考虑哪些因素呢?我的意思是，在我的脑海里，我可以看到电脑屏幕上的球和原子排列成一个分子，然后就像拼图游戏一样把它们组装在一起。我知道这不是那么简单，但是你需要考虑哪些因素呢?
格雷姆:嗯，这实际上很像拼图游戏。分子想要在结晶时尽可能有效地填充空间，当它们尽可能有效地填充空间时，它们试图做的是找到最小的自由能，也就是它们能形成的晶体的最低能量结构。所以我们要做的是建立所有可能的方式，它们可以聚集在一起，哪些是最好的填充空间，然后我们计算非常精确的能量，所有这些可能的晶体结构，以评估哪一个是最低的自由能，然后我们假设这将是最有可能的，当你去制造这个分子，并在实验室结晶它。
所以分子在某种程度上是懒惰的，它们想要低能量。我们如何理解能源使用你说有一种低能量形式?
格雷姆-好的，所以它是由自由能中最主要的一项是势能这实际上只是分子之间的相互作用。所以你可能会有像氢键这样的强相互作用，它本身的能量很低，这就是氢键形成的原因，所以分子会把自己安排得尽可能多地进行有利的相互作用，因为它们有很多负势能导致自由能很低。在非常特殊的条件下，你可以尝试制造亚稳态晶体结构。它们可能有不同的性质然后你试着推导出不是最低自由能态的东西然后你会得到一个亚稳态结构。
海伦:好的，你能反过来做吗?你能说，“好吧，这就是我想要的结构。我现在可以开始创建它了?
格雷姆:是的。我们有一些经验法则，比如氢键。我们知道哪些官能团想要相互对抗。我们试着把它放在一个非常可靠的计算模型中，这样我们就可以试着说，“我想要这个末端结构，我的晶体中的这种分子排列，我怎么才能画出一个分子来导致这种结构?”然后我们可以在电脑上做实验来告诉我们哪些分子最有可能形成这种结构。
海伦:一旦你能预测一个结构，你能更进一步，预测出那个结构会产生的性质吗?从一个到另一个有那么容易吗?
格雷姆:嗯，这是一个伟大的目标。我们不只是想要一个漂亮的晶体结构。实际上，我们想要设计的是它的其他性质和晶体的结构会影响一些东西，比如颜色，硬度，溶解度，或者一些有趣的性质，比如制造半导体晶体的电荷输运。所以，有些性质很容易预测，有些性质基本上是由原子的排列决定的。有些是很难预测的，比如溶解度，还有很多艰苦的工作要做，但我们正在努力研究这些不同的性质，这样我们就可以把所有这些结合起来，尝试在计算机上从头开始设计性质。
裸工程-大规模化学制造
大卫康普顿，工业化学品有限公司
制造商是如何大规模生产化学品的?我们派了Meera Senthilingam和Dave Ansell去调查……
Meera -为了本周的Naked Engineering, Dave和我来到了位于埃塞克斯格雷斯的工业化学品有限公司。正如他们的名字所暗示的，他们为工业生产化学品，他们每年在这里生产数十万吨化学品。戴夫，我们今天为什么要来?
戴夫:嗯，化学物质是我们日常生活中很重要的一部分。它们是所有东西的基础，从塑料到护发产品再到洗洁精，我唯一接触的化学制品是在实验室里，你拿几克，如果你觉得奢侈，把它们混合在一起，最后你会得到别的东西。但在工业规模上，情况就完全不同了因为你说的是每年生产成千上万吨的化学物质这是一个完全不同的命题。
米拉:为了了解化学品是如何大规模生产的，我们请来了工业化学品首席化学家大卫·康普顿。首先我想，大卫，这里生产哪些化学品?
David C. -在这个特殊的地方，我们生产用于水处理工业或肥皂和洗涤剂的无机化学品。我们技术的基础是铝化学，我们实际上站在我们氢氧化铝材料的进料舱里这是我们的主要原料之一。
米拉:这里有很多山，高度超过10米，而我们只是被它的粉末包围着。
大卫·C. -这座建筑实际上可以容纳4到5000吨的货物。这对我们来说是一种非常有用的材料因为铝作为一种金属是两性的这意味着它既可以与酸性物质反应也可以与碱性物质反应，我们在这个网站上都做了。我们可以用盐酸溶解氢氧化铝，形成氯化铝，这是水处理行业的一种重要化学品，作为混凝剂，或者我们可以把它溶解在氢氧化钠中，制成铝酸钠，这是我们的一个关键产品的原料，叫做沸石。
Meera -什么是沸石?为什么这是一个重要的化合物?
David C. -沸石是一种非常有用的材料，因为它是由原子，铝原子和硅原子组成的框架，形成一个结构，在中间可以有空间，空隙，这些空隙可以容纳不同的原子。根据你使用哪种沸石，你可以在这些结构中容纳从水分子到大型有机分子的任何东西。我们用的是沸石a，它在洗衣粉的生产中非常重要。它实际上可以从水中吸收钙和镁。它起着软化剂的作用。
米拉:你提到要做这个，你需要铝酸钠，我们用周围堆积如山的氢氧化铝来做铝酸钠，但第二种成分是什么?
沸石的化学名称是铝硅酸钠，所以我们也需要一些硅酸盐，我们制造硅酸钠，并将其与铝酸钠混合形成沸石。硅酸钠是由类似的沙子制成的，只是简单的二氧化硅，再次溶解在苛性钠中制成硅酸钠。
米拉:我们周围有堆积如山的氢氧化铝，这些氢氧化铝正在传送带上被转移，在我们上方10米左右的地方，转移到另一座建筑，那里有反应容器，实际上是大型的。
大卫·c -在反应器内，首先我们将氢氧化钠溶液注入容器底部，启动搅拌器，然后我们开始加入氢氧化铝。然后，我们向容器中加入蒸汽，将温度提高到可以发生反应的程度。要使溶液完全溶解需要时间、温度和搅拌。
米拉:现在我们来看看反应容器，沸石的这两种核心成分实际上是结合在一起的。
大卫·c -我们把铝酸钠和硅酸钠混合在一起，形成一种凝胶，就像一个巨大的果冻布丁。如果在足够高的温度下保持足够长的时间，沸石实际上会结晶，很小的立方沸石晶体会掉到反应容器的底部。反应完成大约需要四个小时的周期。
Meera -反应船本身就是巨大的。它们大约有30米高，我在这里伸长脖子看它的顶部!这些成分有多少，沸石又有多少?
大卫·c:我们将大约80吨的原料放入其中一个反应器中，并排出大约20吨的沸石产品。因此，60吨，也就是我们所说的母液，然后返回，并在这个过程中循环使用。
米拉:那么一旦它们结合在一起，就形成了这些晶体，等等，接下来会发生什么来得到沸石呢?
大卫·c -所以在反应结束时，你会得到大约20吨的粉末但它与其余的溶液混合在一起，所以我们把反应器清空直接进入所谓的压滤机我们接下来会看到。
米拉:我们现在来到了压滤机所在的地方。所以这就是你目前为止所做的沸石基本上被压在一起得到最终产品的地方。
大卫·c -是的。压滤机是一个大型液压驱动的滑块，它在布料之间挤压物料。布让水流出，而沸石粉留在里面。
米拉:所以本质上说，这里有50张这种布，它们彼此平行，这就是真正被推到一起的东西，里面有“浆液”来干燥它。
大卫·c -是的。在这个时候，它可能还有40%的水在里面，所以它是一个湿蛋糕。在程序结束时，从压机底部流出，然后通过传送带传递到烘箱。
Meera:关于沸石，有一点很有趣，那就是沸石可以有不同的形式，这是你真正需要控制的。
David C. -我们通过配方控制分子筛的实际类型，通过钠、硅、铝的实际比例，在整个过程中都非常仔细地控制。否则，我们最终得到的是错误的沸石，它没有正确的功能。
戴夫:所以基本上你最终得到了一个洞大小错误的结构?
David C. -没错:如果我们最终用错误大小的孔，它们就不会吸收钙和镁，也不会起到水软化剂的作用。
新制造的分子在安全性方面是如何测试的?
格雷姆-我想这取决于我们要制造这种分子的目的。我们在药物分子上做了很多工作。显然，这些都要经过很多非常严格的临床测试，以确保它们对人类是安全的。其他分子在其他方面可能是危险的，比如爆炸，所以化学稳定性……
克里斯-有一个关于纳米危害的问题，不是吗?人们是否特别担心，他们正在做什么来确保当我们生产出像碳纳米管之类的小东西时，它们不会成为下一个石棉。
格雷姆:我想这是对的，所以你需要再次强调，如果这是人们将要接触的东西，那么他们需要进行生物学测试，以确保他们不会以肮脏的方式与人互动。
虚拟分子的性质能被预测吗?
格雷姆-有一些相当复杂的计算方法主要基于量子化学，我们可以用它来确定分子的性质。这个的准确性很大程度上取决于我们想要预测的性质。有些很容易，有些非常非常困难，人们必须非常努力地使这些方法达到足够好的准确度，以便进行预测。所以，我们显然知道我们可以预测分子的形状或大小。我们可以据此预测，比如说，结构的密度，甚至颜色都很容易预测。其他的东西，也许，我不知道，材料的溶解度，与分子结构和晶体结构都有关系，这是出了名的难以预测。所以这取决于你感兴趣的性质，我们是否能预测，但我们正试图使这些方法尽可能广泛地适用这样我们就能预测和设计出许多不同类型的简洁有趣的性质。
科学家害怕毁灭世界吗?
格雷姆:嗯，我的大部分工作实际上都是在电脑上完成的，所以这是相当安全的，所以除非电脑会自己爆炸，否则我们就没事了。其他科学家?我想这要看情况。化学家们，我不认为我们会有很大的风险去炸毁这个世界。
海伦:我认为我们海洋生物学家也是相当安全的，但我认为有一点是值得记住的，我认为，通过科学意外地摧毁世界——不，不，不。
泡泡浴能让浴缸保持更长时间的温暖吗?
我们把这个问题交给了剑桥大学卡文迪什实验室的尤金·特伦杰夫教授。
尤金:基本上，史蒂文是在假设一层气泡将水的表面隔热的基础上提出这个问题的，就像气泡膜将热的或冷的物体隔热一样。这是正确的——它将减少通过顶部表面的热量损失，无论是在热量直接扩散到空气中还是在水蒸发中，这是一种非常有效的相变冷却机制。当然，这种形式的气泡必须非常稳定，可以长期覆盖在水面上，这可以通过使用好的表面活性剂和盐来实现，尽管我不知道这对你的健康有多好!但我的直觉告诉我，这两种传热机制和水从顶部蒸发的机制，无论是否绝缘，在整个浴缸冷却过程中都是次要的。让我们做一个想象中的实验，在热水浴缸的表面覆盖上多层气泡膜。我不认为它的冷却速度会降低很多。我认为水与浴缸体的固体质量直接接触是一种更有效的散热方式。这是因为向低密度空气中的热量传递通常很差。事实上，在史蒂文最初的问题中，填充气泡的空气被认为是隔热层，我们知道羊毛中薄薄的空气腔是如何使羊毛衣服如此温暖的。
Diana -正如techmind在我们的论坛上所说，一层泡泡浴确实能让浴缸更长时间保持温暖，但要小心老式的铸铁条。它们很优雅，而且会比更现代的丙烯酸浴缸更快地将热量从水中带走。但从思考到实践，戴夫·安塞尔解释了他的实验发现。
戴夫:为了在较小的规模上进行测试，我拿了两个相同的洗碗，从热水龙头里倒入10厘米深的水，然后我用一些泡泡浴，把它放在其中一个碗里，使其起泡，这样在表面上就有了一层漂亮的泡沫，然后把另一个碗留在那里。然后我把两个热电偶，一个放在碗里，放在完全相同的地方，然后我等着看温度会发生什么变化。它们都是从44摄氏度开始的，一个小时后，有气泡的是38摄氏度，但没有气泡的是34摄氏度。当我看所有的结果时，几乎所有的时间，有气泡的那个失去热量的速度只是没有气泡的那个的一半多一点，这意味着气泡实际上是一个非常非常有效的绝缘体。我认为这个结果也适用于浴缸:在浴缸中，表面可能会稍微重要一点，因为相对而言，与浴缸的顶部和底部相比，侧面较少，而且我使用的水的深度与浅水浴相同。所以当你洗澡的时候，你应该会发现同样的情况。
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