科学网-鲁道夫·马库斯：化学和生物钟的电子转移反应过去与现在

非常高兴今天有机会再次来到北京参加这个非常重要而且非常及时的会议，今天我想简单跟大家探讨一下对于能源的生产非常重要的一个环节——光合作用。当然它对于我们的生活和工作很多方面也是很重要的，比如说在我们身体当中的一些过程或者是在汽车电池运行过程中所产生的反应等。在很多过程中都涉及电子转移反应，也就是电子从一个分子跳到另外一个分子，因此会是化学反应的一种体现，我今天要做的就是向大家描绘一下这个领域的发展状况，比如说过去的五六十年发生了什么，然后现在先进的技术和研发情况如何，因为这是一个在不断发展的领域。

现代电子转移反应是从什么时候开始的，现在我们知道电子转移反应在生物和化学中涉及很多领域，是从一个非常微小的领域开始。最开始是在上世纪40、50年代，主要用的是同位素来跟踪非常简单的电子转移反应的速率。在第一张幻灯中看到是最简单的电子转移反应的例子。在这种反应当中比如第一种就是从一个粒子到另一个粒子，当他转移的时候，放射性的威力就会在粒子氧化的过程中出现，大家就会跟踪这个反应，加快这个反应速度跟踪。大家可以看一下放射性的粒子是怎么样开始的，存在什么样的状态，然后以这样的方式比如第一个幻灯中出现的粒子，就叫做同位素交换反应。

我提到同位素交换反应是非常简单的电子转移反应，进一步转换，这是非常典型的，在几乎所有化学领域当中都存在的一种反应。在这种反应当中发生的只是电子转移，从一点转移到另一点，还非常简单有另外一个反应，会看到有一个非常重要的因素来控制这个速率，就是他的下降程度有多大。反应出现大量的能量，那么这个反应就是相当快的反映。但是在这种情况下，没有迅速下降的情况，这就意味者控制化学反应速度很重要的因素是缺失的。那大家就可能提出到底这种非常重要的因素是什么呢？它会带来什么样的影响，它最大的好处就是把问题变得简单，一般情况下这个问题都是非常复杂的。但是如果你能够找到一个很好的最合适的体系来运作的话，那么问题就会变得非常简单。出现的结果就是这些反应因为他们都是非常简单的反应，就是人们能够看到要想控制这种速率到底还剩下什么，为此开发一种理论，然后把这个理论适用其他的领域，不是特别简单的领域，这也是在过去几年发展的实证。

大家可以看一下其中的三角形，看这些三角形大家就可以看到他可能更偏向于正三极而不是正二极，所有这些分子动向也发生变化，一旦发生变化，分子就会出现新的方向。这个理论就是说电子不止是从一个反应物跳向另一个反应物，但是如果电极不对就可能出现方向上的错误。大家看这个论文，在他的研究中有一些结果是正确的，有一些可能是错误的。利比特提出的这个体系是很杰出的，但是违反能量守恒的定律，我想对于任何科学系统来说或者说化学系统来说都不可能实现这一点。也就是说要我们进一步了解到底电子是如何转移的，我们要认识到这些分子在转换方向的时候出现的惰性。

我想这也就是1956年提出这一理论的核心所在。也就是说，提出什么样的理论，如何落实这种理论。这个理论本身就应该包含着如何执行和实施这一理论，然后应用于各个领域。如果在很多不同的现象中会有反应，就会很简单。在这种情况下存在很多变量，有很多坐标都在不断变化，在坐标如此大的情况下，如果指出非常简单的方式来追踪这些电子转移的方向呢。使用这种数字化的机械，比如说很多物质在这个反应的过程中会出现各种波动。利比特想到的过程都是直线上升的状况，有不同的体系，这种情况是可能的。这就是我的理论，这个理论涉及到物理学，也就是非平衡的波动，涉及到分子也就是涉及到化学领域。这个是电子转移的速率，在这种情况下，在指数倍上取决很多因素，但是大家在这个公式上看不到的就是在中间涉及到的因素。一开始这个公式是很难做出的，但最后我看到在经历一些非常复杂的方程式计算之后把它进一步简化成更加明确，更加清晰的一个方程式。

大家看到，如果用不同的测量方法会得到不同的结果。这个例子就是在发生反应的时候，这个反应可能有很强的向下的趋势，这种情况就是在进行反应的时候，反应是有向下的趋势，但是出现不断向上走的其他物质的趋势，这实际上是在大多数电子转移反应中存在的情况。说实在，这是一个理论出乎意料的情况。56年发展这一理论的时候，当时还有很多争论，也存在各种不同的实验领域。但只有这一个效果没有得到确认，就是当他大幅下降时，速率会降低，但25年之后大家都确认了这一点。经常有人问我在这25中有什么样的感受，因为这是如此让人出乎意料的情况，在这么多过程中你有什么感觉，你有奇怪的预测根本就没有得到确认，我跟他们说没有必要过多担心这个问题，因为这个东西是正确的，我确信它的正确性。如果有什么东西是可能的，很可能就失去信心，但是这一点我是确信无疑的。

看一下众多的实验证明这一化学方程式，这个理论一部分大家可以看到在右边的反效效应。在这个领域中出现了很多进展来推动我们研究的发展，比如说在这个领域中出现很多论文，比如在这个领域中众多物体上，比如环境表面大家都发现有关的例证。这张幻灯显示的就是电子转移反应整个领域自从上世纪四五十年代发展的状况。很多不同的发展状况，很多领域，不管这种方向是在表面科学领域，还是在生物电子转移，还是在其他方向，比如说很多发展非常迅速的领域或者方向，都出现了类似的情况。

让大家感到非常惊奇的感觉仍然是这一领域发展速度之快。这一个领域也有很大应用的前景。我想这一点跟利比特当年提出的理论有很大联系，尽管他当年提出的理论有一些缺陷，他是一个非常简单的易懂的理论，并不是有特别宏大的范围。最后大家看出这个方程式是简单易懂的，而且有很多应用价值。有时在解决棘手的研究性的问题，特别是在学术领域，看到有一些成果应用很少，但是有的时候有一些反应是如此与众不同，可能会带来更多的用途。比如说刚才有人讲到绿色化学，一些有机的反应等等。最近我们在这些领域有新的理论出现，我想这些新的理论都有很多闪光点的。

在1979年有人出版了一份论文，这张幻灯也来自于他的一些研究成果。如果稍微了解诺贝尔奖的人就可以了解到在这张幻灯中他的成果得到五项诺贝尔奖。电子转移反应在蛋白质、纳米颗粒上，如果照上光电子会发亮，可以附加各种各样需要的东西，根据不同的需求进行添加。说到纳米粒子，它是进行波动的，这个例子就说明这一点。说的是阳光强度，如果你看一看他的分布，是符合力学的原理。其实这也是用于苹果电脑的技术来源。这些纳米颗粒他们的行为如果没有阳光的时候会怎么样，他们实际上在进行电子转移反应。我想强调一点就是单分子研究相对来说比较新，在很多领域都是如此，他们提供了很多之前没有的信息，从另外一个方面来说，他们确实并没有能够提供其他的有关信息，有一些领域当中单一分子的研究是如此的薄弱，以至于我们需要借助其他领域的数据和所提供的信息，这也是应用量子点的一些情况，主要是用于辨识癌细胞上的物质。

我再次想说非常高兴有机会向大家解释以下现在我们的电子转移反应的理论是什么样的，它带来的结果是完全出人意料之外的，而且它在众多领域都产生了结果，你可以非常详细地研究一种反应，对待其他的反应可以为你提供一种方式或方法。不然的话，其他领域可能在研究中没有办法想到，至少对我是如此。谢谢。（据千龙网直播）