不论是口罩还是医用酒精,这些商品都是由不同的原材料加工制造的。原材料可以来自「石油」、「植物」或是「矿石」等。这些原材料经过一系列加工、处理,变成货架上的商品,供人们使用。
有些原材料,经过漫长的岁月沉淀,最终才为人类所用,例如「石油」。我们一般认为它属于「不可再生资源」。这就意味着,从人类的时间尺度上来讲,一旦石油消耗殆尽,便再也无法开采到它们了。
可喜的是,有一类原材料,即使人们不断地取用,它们也可以进行自然或人工干预地更新,这样的资源就属于「可再生资源」,比如说制造纸张和木器的原材料——树木。
虽说树木被砍伐之后,可以再种植新苗,但是如果我们不注意环境保护,亦或是砍伐的数量远超过种植,那么总有一天树木也会被人类耗尽。到那时,或许纸质书籍只会出现在博物馆中了。
其实,人们早已预料到了有限的资源带给我们的未来很可能不堪入目,所以科学家们早已行动起来,去探索如何将「可再生资源」的利用做到最大限度。
机遇与挑战并存。
开发「可再生资源」,需要用微观的视角去理解组成这些资源的各类物质,对这些物质进行必要的「解构」与「重构」,让它们变成我们心目中的样子。
就拿树木来说,如果我们希望它们不仅仅是纸张、桌椅的原材料,而是其他更多产品的原材料。其中一种可行的途径,就是对其中的「木质素」进行「解构」与「重构」。
木质素,是一种由四种醇单体(对香豆素、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物,与纤维素、半纤维素一起,形成植物骨架的主要成分,起抗压作用。在木本植物中,木质素占25%,储量仅次于纤维素。
上面所说的对香豆素、松柏醇等物质均由微观的分子组成,相应的分子由一个或几个原子通过化学键结合在一起。对这些物质进行「重构」,从化学的角度来讲,就是要从组成这些物质的分子中「提取」有用的部分,重新结合成新的分子,而这些新的分子将会组成新的产品。
对分子进行这些操作,会同时面临两种主要的挑战——如何获取足够的能量切断化学键,以及如何精确地切断或连接目标化学键。
打个比方,想象在飞镖运动中,最理想的结果就是让飞镖扎入飞镖盘的红心区。这不仅需要有足够且刚刚好的力度使飞镖扎进飞镖盘,同时还要完美地控制飞镖的方向。
正如上图所示,图中右方是一种木脂素(Lignan)的化学结构式,其中每一条短直线都代表一根化学键。
由于木质素结构复杂,且其中的化学键相对稳定,精确打断目标化学键具有一定的难度。这正是以木材为原材料,来加工制造其他产品的难点所在。
令人振奋的是,这种情况有了很大的改善。一个比利时的科学家团队近期在《科学》期刊上发表研究论文,讨论了他们建立的一种新化学工艺。该工艺不仅可以分解木质素,还可以从桦树中生产苯酚、丙烯。而这两种物质,则都是石油化学产品。
当前,该团队科学家们正在尝试实现该工艺的工业化生产。换句话说,他们的这项进展,或许能够让我们在不久的将来,使用树木替代石油,生产出石油化学产品。
这项工艺所带来的另一个好处是,二氧化碳的排放量相较于使用石油的工艺来说大大降低了,从而对减缓全球气候变暖具有重要意义。