质子现象

米里亚姆·鲍林教授研究从氢键中释放氢的方法。

氢是完美的燃料——如果你能正确使用的话。一磅一磅，它的能量比任何其他可燃材料都要多——是汽油的三倍多。它燃烧干净，与大气中的氧气结合产生水作为唯一的废气。而且周围有很多（事实上，它是宇宙中最丰富的元素）。

但要做到这一点并不容易。氢气的生产成本很高，而且众所周知难以储存（部分原因是它很轻，部分原因是它的爆炸性）。只要问问Miriam Bowring教授（化学2016 -）就知道了，他最近获得了默多克慈善信托基金为期三年、43500美元的研究经费，用于研究可能彻底改变氢气生产和储存的催化剂。

鲍林教授研究的催化剂利用了量子力学中一种被称为质子隧道的奇特现象，绕过了使传统制氢成本高昂的能量限制。或者，至少，“人们认为是这样的，”她很快地说，像任何优秀的科学家一样模棱两可。“从长远来看，我们在里德正在做的是试图找出——质子隧穿是否真的在发生？”我们怎么知道它在发生？我们能用它做些有用的事吗？”

现在知道答案还为时过早。但潜在的影响是巨大的。

乍一看，质子隧道——将质子从一个地方自动传送到另一个地方——简直就是奇迹。但它实际上是基本量子力学原理的直接结果。“在原子水平上，粒子的存在方式与我们想象中的正常生活中与之互动的物体不同，”17岁的扎克·马瑟（Zac Mathe）说，他是鲍林以前的论文学生之一，现在正在德国马克斯·普朗克化学研究所攻读化学硕士学位。“特别是，它们没有明确的边界或确切的空间位置。相反，我们必须考虑，例如，一个电子，以概率分布的形式存在。它不存在于一个地方。在很多地方都有。”

由于这种模糊性，最可能在屏障一侧的亚原子粒子偶尔会出现在（即穿过隧道）另一侧，就像微小的幽灵一样。但在这种情况下，屏障不是由砖块构成的，而是由能量构成的——能量是阻止化学反应发生的所需能量。扎克说：“根据经典的机制，你可能需要投入大量的能量才能使反应发生。”“有了隧道，你就不需要这样做了。你可以从A到B，而不必在中间投入足够的能量。”粒子越小，越有可能经历隧穿；光子是无质量的，它比电子隧穿得更频繁，而电子的质量约为1磅的十亿分之一（小数点后30个零）。质子的质量几乎是电子的2000倍，但似乎也能进行量子隧穿。初步研究表明，人体中的酶——很可能是所有形式的生命中的酶——实际上依靠质子隧穿来分解和结合基本分子。

在化学领域，质子作为氢原子核的唯一成员而为人所知，质子隧穿意味着，在适当的条件下，氢可以自发地从一个原子的键跳到另一个原子，即使跳跃所需的能量不存在。

2010年，大阪大学Shunichi Fukuzumi教授实验室的研究人员正在研究含有金属铱和钌的催化剂从水中产生氢气的能力。他们用“重”水做了一个实验——水由氧和氘组成，氘是氢的一种稀有同位素，原子核中有一个中子——来产生氘气体。从化学上讲，氘和普通的氢是一样的，因为它们有相同数量的质子。“我们希望氢和氘基本上做同样的事情，”鲍林说，“但有时它们不会。”

将重水与普通水进行比较，Fukuzumi的团队发现催化剂产生氘气的速度比产生氢气的速度慢40倍。他们的解释吗?较重的氘不太可能表现出量子隧道效应，因为它的质量是前者的两倍。换句话说，量子隧道效应是铱-钌催化剂如此有效的原因。鲍林虽然持怀疑态度，但还是很感兴趣。于是她开始调查。

鲍林为她的威博体育探索带来了丰富的研究专业知识。她在耶鲁大学获得化学学士学位，在加州大学伯克利分校获得博士学位。她曾在耶鲁大学和华盛顿大学担任博士后，在那里她专注于量子隧道。但她也有教书的本领。

“她教会了我所知道的一切，”20岁的乔·凯勒（Jo Keller）说，她去年夏天在鲍林的实验室工作。“无论是在实验室里还是在实验室外，米里亚姆都是一位伟大的老师、伟大的导师。”

鲍林的教学理念与她所研究的现象很相似：她向学生展示障碍，并相信他们能找到通往另一边的方法。乔说：“夏天刚开始的时候，我带着一些关于如何分离两种反应产物的不同想法来到Miriam。”“她问我，‘你考虑过优化反应吗？几天后，我带着一个包括优化在内的计划回来找她。在优化之前，我更愿意尝试其他技术，因为这很吓人。”

当乔试图通过硅胶柱分离反应产物时，鲍林解释了她的想法。“‘我可能会从优化开始，’”乔记得她说。“但这种分离是有用的。你学到了很多。’”

17岁的Oleks Lushchyk去年和Bowring一起写了关于钯催化剂的论文。现在他们在阿拉斯加做代课老师，希望能获得教师证书，成为全职教师。奥莱克斯说：“我和米里亚姆在一起的时间真的为我从事这种教学做好了准备。”“她做了一些很好的指导，告诉我们什么可行，什么不可行。你不想全程牵着学生的手，但你确实想引导他们朝着正确的方向前进。”

奥莱克斯将鲍林的教学风格归功于她在实验室之外的经历。在耶鲁大学和伯克利大学之间，她在马萨诸塞州的一所独立学校教了两年高中化学。奥莱克斯每天都借鉴她的教学方法。“当我和学生一起工作时，我不会告诉他们，‘你做错了那个，你做错了这个。’我问他们：‘你需要帮助吗？’”

鲍林对教学的投入不亚于她对化学科学的投入。在伯克利，她作为湾区教室的志愿教师，获得了非营利组织社区科学资源的奖励。作为一名博士生，她超越了标准的研究生职责，每年都要威博体育本科生和高中生上课。在华盛顿大学做博士后研究期间，她曾担任美国国家科学基金会（National Science Foundation）的志愿者拓展教师，而且——她亲身实践的方式的最直接体现——她还在耶鲁大学志愿担任女子极限飞盘教练。

对于新化学教授的论文学生来说，从零开始建立一个实验室是实践经验的一部分。扎克说：“对我来说，和米里亚姆一起工作的一个重要部分是，我感觉自己是建立实验室过程的一部分。”“在我论文的前半部分，我手里拿着扳手的次数比拿着烧瓶还多。”

尽管这些障碍有时令人沮丧——例如，当同一仪器的功能版本在大厅另一端的实验室中存在时，扎克花了三天时间寻找仪器的漏洞，从而产生真空——扎克很感激有机会向鲍林学习。“里德科学为你提供了一个非常强大的理论背景——这就是里德，”他们说。“我很幸运，我也得到了很多非常实际的经验，用我面前的东西解决物理问题的经验，这使我成为一个更好的科学家。我之所以有这样的经历，是因为我在米里亚姆的实验室里。”

鲍林和她的学生正在努力研究质子隧穿之谜。她说：“我想做的是找到一些例子，在这些例子中，有人发现了巨大的同位素效应，并在我们的实验室里复制了它。”“我们能否简化他们看到的系统，研究并调整它？”我们能做些什么让同位素效应消失，或者变大，或者变小吗？”首先，她通过或多或少地把福津的催化剂切成两半，并研究化合物中铱的那一半是如何自己起作用的，从而消除了催化剂的大部分复杂性。

由此产生的铱化合物是一种有机金属“半三明治复合物”。“面包”是一个由五六个碳原子组成的环，可以有各种各样的延伸（这些结构被称为“芳香环”，尽管它们并不总是有气味）。“肉”是铱原子。一个全夹层复合物由两个这样的环组成，中间有一个金属原子。

这些铱半三明治可以将二氧化碳和氢结合在一起，以安全的中间体甲酸的形式储存燃料，然后分解中间体再生氢气。更棒的是，它们能够在室温下以两种方式进行反应。“这是一种可逆的催化系统，可以将氢储存为甲酸，并在需要时释放出来，然后再用一氧化碳将其储存起来₂鲍林说：“这可能真的很有用。

这是保守的说法。为这些催化剂申请专利的日本化学家称它们是“划时代的”。

铱三明治大大减少了产生氢所需的能量，并使燃料以相对无害的甲酸的形式储存成为可能。作为额外的好处，该过程的原料之一是二氧化碳。解开质子隧穿的秘密可能是使氢成为一种可行燃料的关键，也是为这种在气候变化中起关键作用的温室气体找到新用途的关键。

基兰·汉拉汉，15岁他和他的狗Lily以及他越来越多的蜘蛛收藏一起在波特兰生活和工作。

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