所有可能的化學物質中只有1%被發(fā)現。我們如何才能找到更多？

宇宙中充斥著數十億種化學物質，每一種化學物質都是潛力的微小針刺。我們只確定了其中1%.

科學家認為未被發(fā)現的化合物可以幫助去除溫室氣體，或者像青霉素一樣引發(fā)醫(yī)學突破。

但是，讓我們先把這個說出來：并不是化學家不好奇。自俄羅斯化學家以來德米特里·門捷列夫發(fā)明了元素周期表在1869年，基本上是一個化學家的樂高盒子，科學家們一直在發(fā)現幫助定義現代世界的化學物質。

我們需要核聚變（以光速相互發(fā)射原子）以制造最后幾個元素。元素117，田納西州，在2010年以這種方式合成。

但要了解化學宇宙的全部規(guī)模，你需要了解化合物太。有些是自然產生的——當然，水是由氫和氧組成的。其他，例如尼龍，是在實驗室實驗中發(fā)現的，并在工廠制造。

元素由一種原子組成和原子由更小的粒子組成包括電子和質子。所有化合物都由兩個或多個原子組成。雖然可能還有未被發(fā)現的元素有待尋找，不太可能.

那么，有多少化合物我們能用我們目前知道的 118 種不同類型的元素樂高積木嗎？

大數字

我們可以從制作所有雙原子化合物.有很多這些：N₂（氮氣）和O₂（氧氣）共同構成了我們空氣的99%。

化學家可能需要大約一年的時間才能制造出一種化合物，理論上有6,903種雙原子化合物。所以這是一個化學家的村莊，他們工作了一年 只是為了制造每一個可能的雙原子化合物。

大約有160萬個三原子化合物，如H₂O（水）和一氧化碳₂（二氧化碳），這是伯明翰和愛丁堡的人口總和。一旦我們達到四原子和五原子化合物，我們就需要地球上的每個人各自制造三種化合物。并制作所有這些化合物，我們還需要多次回收宇宙中的所有材料。

但這當然是簡化。諸如化合物的結構及其穩(wěn)定性之類的因素會使它更加復雜和難以制造。

迄今為止制造的最大化合物是2009年制造并擁有近300萬個原子。我們還不確定它的作用，但是類似化合物用于保護癌癥藥物在體內，直到它們到達正確的地方。

但是等等，化學是有規(guī)則的！

當然，不是所有這些化合物都是可能的嗎？

確實有規(guī)則 - 但它們有點彎曲，這為化合物創(chuàng)造了更多的可能性。

即使是孤獨的”惰性氣體“（包括氖、氬、氙和氦），它們往往不與任何東西結合，有時形成化合物.氫化氬，氬⁺在地球上不是自然存在的，但在太空中被發(fā)現。

科學家們已經能夠在實驗室中制造出復制深空條件的合成版本。因此，如果在計算中包括極端環(huán)境，則可能的化合物數量會增加。

碳通常喜歡附著在一到四個其他原子上，但偶爾會短時間附著，五個是可能的.想象一下，一輛最多可容納四人的公共汽車。公交車在車站，人們上下車;當人們移動時，簡而言之，公共汽車上實際上可以有超過四個人。

一些化學家的整個職業(yè)生涯都在試圖制造根據化學規(guī)則手冊不應該存在的化合物。有時他們是成功的。

科學家必須解決的另一個問題是，他們想要的化合物是否只能存在于太空或極端環(huán)境中 - 想想在熱液噴口，就像間歇泉一樣，但在海底。

科學家如何尋找新化合物

通常，答案是搜索與已知化合物相關的化合物。

有兩種主要方法可以做到這一點。一種是采用一種已知的化合物并對其進行一些更改 - 通過添加，刪除或交換一些原子。另一種是進行已知的化學反應并使用新的起始材料。這是創(chuàng)建方法相同但產品可能完全不同的時候。這兩種方法都是搜索已知未知數的方法。

回到樂高，這就像建造一所房子，然后建造一個稍微不同的房子，或者購買新磚并增加第二層。很多化學家度過他們的職業(yè)生涯探索其中一個化學屋。

但是，我們如何尋找真正的新化學——即未知的未知？

化學家了解新化合物的一種方式是觀察自然界。青霉素是在1928年以這種方式發(fā)現的，當時亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）在他的培養(yǎng)皿中觀察到霉菌防止細菌生長.

十多年后的1939年，霍華德·弗洛里研究如何種植有用量的青霉素，仍然使用霉菌。但直到 1945 年，它花了更長的時間多蘿西·魚尾紋霍奇金鑒定青霉素的化學結構。

這很重要，因為青霉素結構的一部分包含排列成正方形的原子，這是一種不尋常的化學排列，很少有化學家會猜到，而且很難制造。

了解青霉素的結構意味著我們知道它的樣子，并且可以尋找它的化學表親。如果您對青霉素過敏并且需要替代抗生素，那么要感謝魚尾紋霍奇金。

如今，確定新化合物的結構要容易得多。Crowfoot Hodgkin在鑒定青霉素結構的過程中發(fā)明的X射線技術仍然在全球范圍內用于研究化合物。和一樣核磁共振成像醫(yī)院用來診斷疾病的技術可以也用于化合物以制定其結構。

但是，即使化學家猜測出一種與地球上已知的任何化合物無關的全新結構，他們仍然必須制造它，這是困難的部分。弄清楚一種化合物可能存在并不能告訴你它是如何結構的，或者你需要什么條件來制造它。

對于許多有用的化合物，如盤尼西林，從霉菌、植物或昆蟲中“種植”和提取它們更容易、更便宜。因此，尋找新化學的科學家仍然經常在我們周圍世界最微小的角落尋找靈感。

馬修·阿迪科特，功能材料高級講師，諾丁漢特倫特大學

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