观点丨有哪些技术不复杂，但创意十足呢？

一说到某种新技术大家会不会都觉得很复杂，一头雾水呢？其实也有很多行业内的技术本身相当简单，但大伙却觉得创意十足的，今天我们就来一饱眼福，拓宽下视野吧。

1.不耗能的空调

众所周知传热有3种方式：传导、对流、辐射。目前的空调用的是前两种，要么费电，要么拿冰块把屋子裹住，总之都是用active的方式来给屋子制冷。如果不想耗能，用passive的方式制冷，那么由于热力学第二定律，得有一个低温热源，然后热量就会自动从高温热源流走。

这里，高温热源是你要制冷的屋子，那周围有啥低温热源呢？由于制冷是要相对周围环境进行的，换句话说，夏天的时候你希望家里的温度比外面低，显然这时候就没有低温热源可用。是这样的吗？脑洞大开这时开始起作用了。众所周知大气层在8-13微米电磁波段有一个透明的窗口，红外线可以跑出地球，换句话说，如果我们的眼睛能看到这个波段的红外线，我们可以直接在地表看到深邃的无穷的宇宙空间

宇宙空间，就是我们可以使用的低温热源。热辐射这时就可以起作用了。学过电磁学的同学知道，辐射，根据定义，就是电磁波的远场，以光速可以传得很远。太阳光是热辐射，也就是上图中黄色的光束。红外线也是热辐射，上图中的红色光束。

这项工作就是做了这么一块新颖的光学材料，反射太阳光，辐射红外线，然后温度就降下来了。他们把这块材料放到加州斯坦福电子系楼顶暴晒，目前初步效果是比气温低5摄氏度（要知道随便把什么东西拿上楼顶暴晒，其温度一般都比气温高很多）。

文章发表于Nature：Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight。

2.魔角旋转固体核磁共振

单说核磁共振就是科学界一个丰碑，四次诺奖，三个领域。

1952年， 诺贝尔物理学奖——核磁共振现象

1991年，诺贝尔化学奖——高分辨核磁共振波谱解析分子结构

2002年，诺贝尔化学奖——核磁共振解析蛋白质结构

2003年，诺贝尔生理医学奖——核磁共振成像技术（MRI)

如果说MRI对NMR的仪器结构进行了大改造，而固体核磁共振（Solid State Nuclear Magnetic Resonance, ssNMR)中魔角旋转技术也算是一个创意极好的改进。

凭借样品绕轴一个固定角度（魔角）高速旋转，使得核磁共振可以测试固体。

我们知道一般物质结构鉴定主要是利用液体核磁共振，因为在固体中，分子运动受限。分子内部相互作用也较大。使得固体核磁的峰展宽较严重。而内部作用主要是有：化学位移，核电四极相互作用，J-coupling，偶极相互作用（Dipole-dipole）

在液体中，由于分子运动速度较快。一般只能观测各向同性化学位移，但是固体中由于运动受限，非球形对称的电子云分布使得化学位移与外磁场取向相关。

把样品偏转一个角度高速旋转，就可以实现测固体物质的核磁共振波谱。为难溶膜蛋白和一些材料的表征创造了新的技术。

3.石墨烯

其实仔细想想，石墨烯还真的就是这样一个技术简单，创意十足的发现呢。很久之前砖家们都认为这东西只是理论上的物质，而且不可能稳定存在，但是Andre Geim 和 Konstantin Novoselov用3M胶带不停地胶粘高定向热解石墨，就这样一直重复，直到单层石墨烯诞生，给小学生做他也会呀，可是小学生并不知道那就是石墨烯。

4.纳米颗粒毒性与功能的关系

有一次去开会听到的一个idea，关于纳米颗粒，当时觉得这么make sense的研究，又如此简单，居然以前没有人做过，简直太难以相信了。这个研究，就是仔细探讨了纳米颗粒的毒性，和它功能性之间的联系。就是说导致纳米颗粒毒性的那些性状，和让它具备我们desire的功能的那些性状，是不是重合。如果不重合，那么如何改变那些性状。比如普遍认为纳米银的毒性主要来自于它的离子化，但是纳米银的有些相关应用又需要它的离子化，那这个时候毒性不好控制。但是同时他们发现了一种碳纳米管，它的毒性主要来自于末端的形态。它的末端是圆柱形，所以很容易穿过生物膜。但是这个圆柱形的末端对增强它的特性毫无帮助。于是他们就想办法修改这个碳纳米管的形状，让它的尖端变成方的，于是大大降低了毒性，还不影响功能。

这个想法很自然很简单吧。但是为什么之前没人做呢？因为科研界大家都讲究深度啊，所以都特别的专，研究毒理的人专门研究毒理的机理，研究性状的人专门研究性状，之前人们修改表面性状都是为了给颗粒添加一些新的炫酷的（其实也并没有）表面特征，却没人想到过修改一下降低毒性……就是这么简单。

当然研究本身在技术上也不是特别的简单。但当时听众们都觉得，这个我怎么就没想到呢！

5.具有一定普适性的单晶样品制备方法

2013年，来自日本东京大学的Makoto Fujita教授的小组在Nature上发表了这样一篇名为“X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes”的论文。

这项工作做了什么呢？

我们来看文章标题，可以分成三段

1. X-ray analysis

2. nanogram to microgram scale

3. using porous complexes

依次来解释：第一点，X射线分析。

X射线单晶衍射作为最强有力的结构表征手段，被广泛的用于分子结构鉴定。其原理简单粗暴上张图：

上图中的黑点表示晶体中周期排列的原子，水平的灰色线条连起来的表示一系列原子形成的互相平行的晶面，黑色的箭头线表示X射线。入射X射线被镜子一样的晶面反射，由高中几何（三角函数）和物理（同相位的波叠加会加强）知识可以得到下面这样一个公式：

劳厄因发现晶体的X衍射现象获得1914年诺贝尔物理奖，布拉格父子1915年靠以这个公式为基础的X射线晶体分析方法获得诺贝尔物理奖。

简单的说，当X射线通过晶体的时候，被晶体中不同的晶面反射，在特定的位置上会形成衍射点。我们通过收集这些衍射点的位置数据，可以反演计算出晶体中的原子排列方式。并且由于不同原子对X射线的反射能力不同，这些衍射点的强度信息也能给出相应位置的原子信息。综合起来，这个分析手段能直接得到晶体中的原子种类和相应的排布规律，结合已有的化学常识就能得到分子的三维结构了，所以可以理解为X射线单晶衍射能让我们“看到"晶体中的分子长什么样。

第二点，纳克到微克级别的分析

这是个什么概念呢，现在一般用于单晶分析要得到不错的数据需要的晶体至少需要数十到数百微米的尺度，如下图, 一颗晶体一般在数微克。在Fujita教授不断的要求下，他的学生已经能从5 ng的样品中得到不错的单晶数据。把分析样品的检测限往下推了1000倍。但这不是这个工作牛逼的地方。这篇工作最牛逼的地方在于完全改变了X射线单晶衍射分析的样品制备方法，见下面第三点。

第三点，多孔复合物——“有机金属骨架化合物” （Metal–organic framework, MOFs）

上面说了关于X射线单晶衍射分析的一些基本知识，但是所谓“巧妇难为无米之炊”，要做单晶衍射，首先你需要有质量不错的单晶。

说到单晶，简直就是有机狗心中永远的痛。虽然上面说一颗几微克的单晶就足够获得晶体结构数据了，但是培育单晶绝对不是几微克就能搞定的。一般都需要数毫克纯化合物分成许多份，用不同的条件（溶剂，浓度，温度等）平行尝试，即使这样，成功率也非常低。但由于X射线单晶衍射对于结构分析无法替代的地位，能给出其他分析手段无法提供的结构信息，尤其是对于研究有机反应机理的一些中间体和天然产物立体构型的确定，单晶衍射又是非常必要的。

重点来了。Fujita教授在这篇惊世骇俗的文章中描述了一种具有一定普适性的单晶样品制备方法：将具有特殊孔径的Framework作为“结晶海绵”将待分析的小分子有机物吸收到“海绵”里，然后将吸收了待测物的Framework再拿去做单晶衍射分析，得到待测物的分子结构信息。

样品制备过程如下图所示，将待测有机小分子溶到尽可能少的溶液里（一滴都已经太大），滴到“海绵”上让其吸收（在Fujita教授展示的动画里可以看到吸收的过程非常快，几乎在数秒晶体就因为吸收客体分子而通体变色），然后将这颗吸收了待测物的晶体拿去做X射线单晶衍射。整个样品制备过程只需要几分钟的样子（那些花了数月长单晶的有机狗看到这篇文章如果不震惊就真是太迟钝了）

那么，现在问题来了，为什么会这样呢？

我们来看一下“结晶海绵”的结构示意图如下。可以看到，其中的有机单元连接无机顶点之后形成了一个个“小房间"（绿色）, 而且房间外有大量联通的”走道“。当溶解有有机小分子的溶液接触到这种多孔的晶体时，小分子们就沿着“走道”进入到晶体内部，并且由于“小房间”的“墙壁”和小分子们有一定的相互作用，所以小分子们更愿意老老实实呆在“小房间”中。由于这些“小房间”在晶体中是周期性有序排列的，所以他们的“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射线衍射能得到结构的必要条件！

这已经够牛逼了，但是Fujita教授显然并没有满足。一般单晶都是用纯化合物来做的，由于这种新方法样品制备实在是太方便了，于是他们将这种方法和HPLC [高效液相色谱]连起来了，直接一针混合物打进HPLC, 每一个峰的洗脱剂直接送到结晶海绵上，然后拿去做单晶衍射, 然后直接得到混合物中各组分的晶体结构数据，我看到这里直接就被惊呆了。这直接做成仪器卖给全世界的天然产物全合成组，有机方法学组能解救多少有机PhD！大胆预测也许不久的将来就会有HPLC-SCD(高效液相色谱-单晶衍射)联用仪器了！这将大大提高有机狗们的工作效率。

总结一下，此方法的优点：

1. 简单方便，制备样品用时短

2. 所需样品量极少，最少只需要一个TLC点的量

3. 有潜力将HPLC-SCD联用快速得到混合物中的分子结构信息

当然，科学上是不会有完美的，该方法的限制：

对待测分子的大小和结构都有一定要求，分子若是太大进不了Framework中的空穴或是和其没有相互作用，则该方法就不行了。不过Fujita课题组目前应该在发展更大孔径的Framework将其用在更大的分子上，或是用不同的有机连接片段，改变能接受的客体分子相互作用来提高客体的diversity。

有没有一种拍大腿跺脚的冲动，怎么样，见识了吧！希望科研学者们也能经常脑洞大开，多多设计研发出更多新技术造福社会。

本文转载自知乎，链接：https://www.zhihu.com/question/27045428。

材料牛石小梅编辑整理。