原標題:這種物質養活了世界一半人口，現在被科學家用鐵球打掉了

合成氨似乎一直在處理生死問題——無論是結束了鳥糞大戰，養活了至少40%的全球人口，還是隨后成為了戰爭武器。

在多重因素的影響下，饑餓仍然是一個需要面對和解決的全球性問題在人類試圖消除饑餓的漫長歷史中，合成氨在其中留下了偉大的印記而且，在100多年的時間里，科學家們從未放棄對傳統合成氨技術的創新，也從未徹底推翻它但無論哪種方式，科學家的目標都是一樣的:獲得最好的技術

從遠處看，秘魯的欽查群島在陽光下閃著耀眼的白光這不是巖石或建筑的顏色，而是海鳥的白色排泄物這些鳥糞含有15%的氮，是牛糞的30倍事實上，早在19世紀，法國化學家讓—巴蒂斯特·布森戈在他的農場進行實驗時就發現了氮在增加糧食產量中的關鍵作用換句話說，這些含氮量高的鳥糞是極好的肥料

因此，這些刺鼻的資源在19世紀成為了有價值的商品，甚至引發了幾次鳥糞大戰不幸的是，由于人類無節制的開采，在短短的幾十年里，欽察群島幾十米深的鳥糞幾乎被全部挖光，最后甚至還殺死了海鳥——而這僅僅是因為人類認為島上的鳥類妨礙了他們挖糞

可是，幸運的是，后來，我們不再需要海鳥一直貢獻它們的糞便，因為化學家們對直接從空氣中固定氮非常感興趣，并取得了很大的突破。

合成氨城堡的國王

氮是蛋白質，DNA等生物大分子的重要組成部分，對生物體的生存和生長極其重要雖然氮氣在地球大氣中占絕大多數，但由于氮氣中的兩個氮原子是通過三個共價鍵連接在一起的，所以氮氣的化學性質非常穩定，氮分子很難被打破

對于自然界來說，固氮是基本的反應過程之一:經過億萬年的進化，一些生物已經學會了從空氣中固定氮，細胞產生的固氮酶會將氮轉化為含氮化合物，供生物利用可是，對于人類來說，氮分子的高效解離是一座至今難以跨越的大山

植物利用寄生細菌產生的固氮酶將空氣中的氮轉化為植物細胞可以利用的含氮化合物。

20世紀初，人類首次實現了氨的工業化生產:1908年，德國化學家弗里茨·哈伯利用金屬催化劑，在高溫高壓下，將氮氣和氫氣直接轉化為氨當哈伯在德國向巴斯夫展示他設計的合成氨工藝時，巴斯夫實驗室主任被100個標準大氣壓的反應條件驚呆了，因為這不是小事，一旦出錯，將是生死攸關的事情

哈伯設計的氨廠用于在實驗室合成大量的氨。

可是，巴斯夫實驗室的卡爾·博施認為:合成氨值得我們冒險最后，他解決了高壓氨合成的技術難題，設計了一種能夠循環反應的工業裝置1913年，巴斯夫建造了世界上第一座合成氨工廠，并生產出第一批氨這種合成氨的方法被稱為哈伯—博施法，哈伯和博施分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾化學獎

隨后的100年間，伴隨著技術的發展，氨產量的不斷增加，逐漸提高了糧食產量，養活了越來越多的人經過數據分析和估算，荷蘭阿姆斯特丹自由大學的Jan William Ehrismann和加拿大曼尼托巴大學的Vaclav Smil都認為，人工固氮生產的氮肥至少養活了全球40%的人口除了用于制造肥料，其余20%的氨是含氮藥物，聚酰胺纖維等高分子化合物的合成原料

有些科學家會形象地把合成氨廠比作一座城堡，哈伯—博施法已經是這座城堡的國王100多年了，可是任何技術都無法撼動它的地位可是，即使如此，哈伯—博施法也有許多問題其中，最大的缺點在于極其苛刻的反應條件——450—550℃的高溫和100多個標準大氣壓

可能的方法

實際上，氮氣和氫氣之間的反應是放熱反應放熱反應的優點是熱力學上可行，較低的溫度有利于放熱過程那么為什么哈伯—博世還會定這么高的溫度呢原因在于前面提到的極不活潑的氮氣

穩定的氮分子迫使化學家將溫度提高到大約500℃，這只有在催化劑的幫助下才能實現但是勒查特萊原理告訴我們，高溫會抑制放熱過程于是，化學家再次妥協，不得不把壓力提高到100個標準大氣壓這時，我們剛剛得到了通行證氨合成工藝可以說，哈伯—博施方法是熱力學和動力學局限性妥協的結果100多年來，化學家一直在尋找替代技術，試圖解決極端反應條件的問題

從氮轉化為含氮化合物的可能過程。

在《自然納米技術》上發表的一項研究中，一個由幾個研究機構組成的國際團隊采取了不同的方法他們在裝有鐵球的球磨機中設計了一種機械化學策略，在溫和的條件下合成氨——以鐵粉為催化劑，在1個標準大氣壓，45℃的初始反應條件下得到82.5%的氨

為了在溫和的條件下實現合成氨，化學家們嘗試了很多方法其中，氨的電化學合成引起了大量科學家的興趣但即使是精心設計的實驗，最終也只能得到非常少的氨——甚至在實驗之前，研究人員可能就要為如何檢測出如此少量的氨而發愁了即使檢測到少量的氨，也很可能不是由氮和氫轉化而來的因此，電化學氨合成的結果總是受到質疑

化學法則是另一種合成策略驅動反應過程的能量來自機械能，而不是高溫提供的熱能一種常用的機械化學方法是球磨:鐵球，反應容器壁和催化劑顆粒碰撞產生局部熱量，產生高活性缺陷位點，或暴露新的活性表面，從而降低反應所需的苛刻條件

與球和粉末的碰撞。

在這項新研究中，與Haber—Bosch方法的一步反應相比，研究人員將整個合成過程分為兩步:氮氣的離解和氨的制備。

這項新研究將整個合成過程分為兩步。

科學家已經知道機械碰撞可以產生高密度的缺陷，缺陷部位有利于激活氮分子，更容易解離成氮原子因此，研究人員設計的第一步是利用鐵球和鐵粉的碰撞產生鐵催化劑的缺陷位，從而加速氮分子的解離，生成氮化鐵顆粒

隨后，研究人員將氫氣引入球磨機進行第二次氫化反應，即氮化鐵與氫氣發生反應在形成氨的過程中，氮原子和氫原子會率先形成各種中間態這些中間產物會被強有力地吸附在缺陷位點上，并且很難離開這些活性位點來抑制氫化反應

但在本研究中，鐵球與催化劑顆粒之間的劇烈擠壓過程會提供一定的能量，使強吸附的中間態從缺陷位脫落，從而復活活性位，促進氨的生成這樣，研究人員既不需要高溫來脫落中間態，也不需要向高壓妥協，從而大大降低了反應條件

英國貝爾法斯特女王大學機械化學專家斯圖爾特·詹姆斯認為，這項研究的成果非常顯著——將原來的高溫高壓條件降低到更低的溫度和壓力，并不是一件容易的事情但詹姆斯指出，要實現機械化學法合成氨的工業化生產，其他機械化學法可能比球磨更容易

雖然機械化學在其他領域已經取得了很大的進展，但是到目前為止，機械化學固氮的研究案例屈指可數——可能只有5個案例對于未來的研究，白忠范教授表示，他們正在尋找更高效的催化劑，同時正在設計可以連續合成氨的裝置，以滿足工業要求

合成氨技術會改變嗎。

事實上，經過多年的研究，哈伯—博世合成氨工藝已經相當成熟現在，一個工廠每天可以生產3000噸氨，全球年產量加起來超過1億噸有科學家表示，在未來幾十年內，行業不太可能對這一重要反應做出太大改變，因為這已經是一個非常優化的過程——70%的能效幾乎是人無法比擬的目前來看，可能沒有什么辦法讓哈伯—博施法這艘大船掉頭

但是，化學家不會在這里停止研究，因為誰也不知道更遠的未來會發生什么更何況，每一個新發現都會讓人激動，這也許就是基礎研究的美妙之處

目前，人類與饑餓的戰爭仍未停止可是，最近幾年來農業中的氮素污染引起了氣候學家的關注，因此是否使用氮肥以及如何合理使用氮肥仍有待解決這將是一場與氣候變化的持久戰，科技也面臨轉型的困境

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