觀點丨有哪些技術不復雜，但創意十足呢？

一說到某種新技術大家會不會都覺得很復雜，一頭霧水呢？其實也有很多行業內的技術本身相當簡單，但大伙卻覺得創意十足的，今天我們就來一飽眼福，拓寬下視野吧。

1.不耗能的空調

眾所周知傳熱有3種方式：傳導、對流、輻射。目前的空調用的是前兩種，要么費電，要么拿冰塊把屋子裹住，總之都是用active的方式來給屋子制冷。如果不想耗能，用passive的方式制冷，那么由于熱力學第二定律，得有一個低溫熱源，然后熱量就會自動從高溫熱源流走。

這里，高溫熱源是你要制冷的屋子，那周圍有啥低溫熱源呢？由于制冷是要相對周圍環境進行的，換句話說，夏天的時候你希望家里的溫度比外面低，顯然這時候就沒有低溫熱源可用。是這樣的嗎？腦洞大開這時開始起作用了。眾所周知大氣層在8-13微米電磁波段有一個透明的窗口，紅外線可以跑出地球，換句話說，如果我們的眼睛能看到這個波段的紅外線，我們可以直接在地表看到深邃的無窮的宇宙空間

宇宙空間，就是我們可以使用的低溫熱源。熱輻射這時就可以起作用了。學過電磁學的同學知道，輻射，根據定義，就是電磁波的遠場，以光速可以傳得很遠。太陽光是熱輻射，也就是上圖中黃色的光束。紅外線也是熱輻射，上圖中的紅色光束。

這項工作就是做了這么一塊新穎的光學材料，反射太陽光，輻射紅外線，然后溫度就降下來了。他們把這塊材料放到加州斯坦福電子系樓頂暴曬，目前初步效果是比氣溫低5攝氏度（要知道隨便把什么東西拿上樓頂暴曬，其溫度一般都比氣溫高很多）。

文章發表于Nature：Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight。

2.魔角旋轉固體核磁共振

單說核磁共振就是科學界一個豐碑，四次諾獎，三個領域。

1952年， 諾貝爾物理學獎——核磁共振現象

1991年，諾貝爾化學獎——高分辨核磁共振波譜解析分子結構

2002年，諾貝爾化學獎——核磁共振解析蛋白質結構

2003年，諾貝爾生理醫學獎——核磁共振成像技術（MRI)

如果說MRI對NMR的儀器結構進行了大改造，而固體核磁共振（Solid State Nuclear Magnetic Resonance, ssNMR)中魔角旋轉技術也算是一個創意極好的改進。

憑借樣品繞軸一個固定角度（魔角）高速旋轉，使得核磁共振可以測試固體。

我們知道一般物質結構鑒定主要是利用液體核磁共振，因為在固體中，分子運動受限。分子內部相互作用也較大。使得固體核磁的峰展寬較嚴重。而內部作用主要是有：化學位移，核電四極相互作用，J-coupling，偶極相互作用（Dipole-dipole）

在液體中，由于分子運動速度較快。一般只能觀測各向同性化學位移，但是固體中由于運動受限，非球形對稱的電子云分布使得化學位移與外磁場取向相關。

把樣品偏轉一個角度高速旋轉，就可以實現測固體物質的核磁共振波譜。為難溶膜蛋白和一些材料的表征創造了新的技術。

3.石墨烯

其實仔細想想，石墨烯還真的就是這樣一個技術簡單，創意十足的發現呢。很久之前磚家們都認為這東西只是理論上的物質，而且不可能穩定存在，但是Andre Geim 和 Konstantin Novoselov用3M膠帶不停地膠粘高定向熱解石墨，就這樣一直重復，直到單層石墨烯誕生，給小學生做他也會呀，可是小學生并不知道那就是石墨烯。

4.納米顆粒毒性與功能的關系

有一次去開會聽到的一個idea，關于納米顆粒，當時覺得這么make sense的研究，又如此簡單，居然以前沒有人做過，簡直太難以相信了。這個研究，就是仔細探討了納米顆粒的毒性，和它功能性之間的聯系。就是說導致納米顆粒毒性的那些性狀，和讓它具備我們desire的功能的那些性狀，是不是重合。如果不重合，那么如何改變那些性狀。比如普遍認為納米銀的毒性主要來自于它的離子化，但是納米銀的有些相關應用又需要它的離子化，那這個時候毒性不好控制。但是同時他們發現了一種碳納米管，它的毒性主要來自于末端的形態。它的末端是圓柱形，所以很容易穿過生物膜。但是這個圓柱形的末端對增強它的特性毫無幫助。于是他們就想辦法修改這個碳納米管的形狀，讓它的尖端變成方的，于是大大降低了毒性，還不影響功能。

這個想法很自然很簡單吧。但是為什么之前沒人做呢？因為科研界大家都講究深度啊，所以都特別的專，研究毒理的人專門研究毒理的機理，研究性狀的人專門研究性狀，之前人們修改表面性狀都是為了給顆粒添加一些新的炫酷的（其實也并沒有）表面特征，卻沒人想到過修改一下降低毒性……就是這么簡單。

當然研究本身在技術上也不是特別的簡單。但當時聽眾們都覺得，這個我怎么就沒想到呢！

5.具有一定普適性的單晶樣品制備方法

2013年，來自日本東京大學的Makoto Fujita教授的小組在Nature上發表了這樣一篇名為“X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes”的論文。

這項工作做了什么呢？

我們來看文章標題，可以分成三段

1. X-ray analysis

2. nanogram to microgram scale

3. using porous complexes

依次來解釋：第一點，X射線分析。

X射線單晶衍射作為最強有力的結構表征手段，被廣泛的用于分子結構鑒定。其原理簡單粗暴上張圖：

上圖中的黑點表示晶體中周期排列的原子，水平的灰色線條連起來的表示一系列原子形成的互相平行的晶面，黑色的箭頭線表示X射線。入射X射線被鏡子一樣的晶面反射，由高中幾何（三角函數）和物理（同相位的波疊加會加強）知識可以得到下面這樣一個公式：

勞厄因發現晶體的X衍射現象獲得1914年諾貝爾物理獎，布拉格父子1915年靠以這個公式為基礎的X射線晶體分析方法獲得諾貝爾物理獎。

簡單的說，當X射線通過晶體的時候，被晶體中不同的晶面反射，在特定的位置上會形成衍射點。我們通過收集這些衍射點的位置數據，可以反演計算出晶體中的原子排列方式。并且由于不同原子對X射線的反射能力不同，這些衍射點的強度信息也能給出相應位置的原子信息。綜合起來，這個分析手段能直接得到晶體中的原子種類和相應的排布規律，結合已有的化學常識就能得到分子的三維結構了，所以可以理解為X射線單晶衍射能讓我們“看到"晶體中的分子長什么樣。

第二點，納克到微克級別的分析

這是個什么概念呢，現在一般用于單晶分析要得到不錯的數據需要的晶體至少需要數十到數百微米的尺度，如下圖, 一顆晶體一般在數微克。在Fujita教授不斷的要求下，他的學生已經能從5 ng的樣品中得到不錯的單晶數據。把分析樣品的檢測限往下推了1000倍。但這不是這個工作牛逼的地方。這篇工作最牛逼的地方在于完全改變了X射線單晶衍射分析的樣品制備方法，見下面第三點。

第三點，多孔復合物——“有機金屬骨架化合物” （Metal–organic framework, MOFs）

上面說了關于X射線單晶衍射分析的一些基本知識，但是所謂“巧婦難為無米之炊”，要做單晶衍射，首先你需要有質量不錯的單晶。

說到單晶，簡直就是有機狗心中永遠的痛。雖然上面說一顆幾微克的單晶就足夠獲得晶體結構數據了，但是培育單晶絕對不是幾微克就能搞定的。一般都需要數毫克純化合物分成許多份，用不同的條件（溶劑，濃度，溫度等）平行嘗試，即使這樣，成功率也非常低。但由于X射線單晶衍射對于結構分析無法替代的地位，能給出其他分析手段無法提供的結構信息，尤其是對于研究有機反應機理的一些中間體和天然產物立體構型的確定，單晶衍射又是非常必要的。

重點來了。Fujita教授在這篇驚世駭俗的文章中描述了一種具有一定普適性的單晶樣品制備方法：將具有特殊孔徑的Framework作為“結晶海綿”將待分析的小分子有機物吸收到“海綿”里，然后將吸收了待測物的Framework再拿去做單晶衍射分析，得到待測物的分子結構信息。

樣品制備過程如下圖所示，將待測有機小分子溶到盡可能少的溶液里（一滴都已經太大），滴到“海綿”上讓其吸收（在Fujita教授展示的動畫里可以看到吸收的過程非常快，幾乎在數秒晶體就因為吸收客體分子而通體變色），然后將這顆吸收了待測物的晶體拿去做X射線單晶衍射。整個樣品制備過程只需要幾分鐘的樣子（那些花了數月長單晶的有機狗看到這篇文章如果不震驚就真是太遲鈍了）

那么，現在問題來了，為什么會這樣呢？

我們來看一下“結晶海綿”的結構示意圖如下。可以看到，其中的有機單元連接無機頂點之后形成了一個個“小房間"（綠色）, 而且房間外有大量聯通的”走道“。當溶解有有機小分子的溶液接觸到這種多孔的晶體時，小分子們就沿著“走道”進入到晶體內部，并且由于“小房間”的“墻壁”和小分子們有一定的相互作用，所以小分子們更愿意老老實實呆在“小房間”中。由于這些“小房間”在晶體中是周期性有序排列的，所以他們的“房客”最后也是周期性有序排列的啦。而周期性有序排列正是X射線衍射能得到結構的必要條件！

這已經夠牛逼了，但是Fujita教授顯然并沒有滿足。一般單晶都是用純化合物來做的，由于這種新方法樣品制備實在是太方便了，于是他們將這種方法和HPLC [高效液相色譜]連起來了，直接一針混合物打進HPLC, 每一個峰的洗脫劑直接送到結晶海綿上，然后拿去做單晶衍射, 然后直接得到混合物中各組分的晶體結構數據，我看到這里直接就被驚呆了。這直接做成儀器賣給全世界的天然產物全合成組，有機方法學組能解救多少有機PhD！大膽預測也許不久的將來就會有HPLC-SCD(高效液相色譜-單晶衍射)聯用儀器了！這將大大提高有機狗們的工作效率。

總結一下，此方法的優點：

1. 簡單方便，制備樣品用時短

2. 所需樣品量極少，最少只需要一個TLC點的量

3. 有潛力將HPLC-SCD聯用快速得到混合物中的分子結構信息

當然，科學上是不會有完美的，該方法的限制：

對待測分子的大小和結構都有一定要求，分子若是太大進不了Framework中的空穴或是和其沒有相互作用，則該方法就不行了。不過Fujita課題組目前應該在發展更大孔徑的Framework將其用在更大的分子上，或是用不同的有機連接片段，改變能接受的客體分子相互作用來提高客體的diversity。

有沒有一種拍大腿跺腳的沖動，怎么樣，見識了吧！希望科研學者們也能經常腦洞大開，多多設計研發出更多新技術造福社會。

本文轉載自知乎，鏈接：https://www.zhihu.com/question/27045428。

材料牛石小梅編輯整理。