每當感嘆人生沉浮，很多人都會說一句：錢很重要，但并不是最重要的。
人生如此，科研亦如是。
不得不承認，很多時候，沒有錢做不了科研。
但是，科研最重要的是什么？
不是錢，是想法！
不去細數那些古往今來的偉大科學成就，今天，我們就舉一個簡單的例子：如何用一臺“離心機”，研究一個世界級的科學難題。
第一作者：Olgierd Cybulski，Miroslaw Dygas
通訊作者：Bartosz A. Grzybowski
通訊單位：韓國國立蔚山科學技術院，波蘭科學院
研究亮點
1）提出了一種非平衡系統-旋轉液體堆；
2）對旋轉液體堆的混合、乳化和穩定性進行了詳細研究和分析；
3）將該旋轉液體堆應用于多步有機合成、萃取和納米分離等領域。
近年來，人們對能夠支持多步化學過程而不需要手動處理中間體的系統，越來越感興趣。這些系統要么基于分批反應器的集合，要么基于流動化學設計。然而，這兩者都需要耗費相當大的工程努力。
為了解決這個問題，韓國國立蔚山科學技術院、波蘭科學院Bartosz A. Grzybowski團隊開發了一個類似離心機的非平衡系統，其中不同的反應區自組織成一個幾何形狀，可以決定整個過程序列的進展。“無壁”同心液體反應堆，將傳統靜態環境中的材料和/或化學系統移植到旋轉參照系中，具有明顯優勢。
要點1. 旋轉下的同心液體層
在圖1a中，容器安裝在電動機的垂直對齊的軸上。沒有旋轉時，液體是水平分層的，最稠的液體(透明的氟醚FC-40)在底部。當容器開始旋轉時，液體出現傾斜剖面，斜率逐漸增加，最終在最高轉速(ωc≈2600rpm)下，呈現同心層結構，其中FC-40形成最外環，容器的中心部分被空氣占據。
新的液體可以通過在旋轉中心附近，或通過嵌入容器底面的通道系統，添加已經旋轉的堆中(圖1b，c)。值得注意的是，當不同液體的添加是連續的時，不僅所有不混溶的液體，而且成對不混溶的液體也可以堆疊起來：通過對液體添加的適當控制，可以組裝包括20層以上的穩定堆疊(圖1d-f)。
圖1 旋轉下的同心液體層。
要點2.混合、乳化和穩定性
在恒定轉速下，液體受剛體轉動的影響，各層的傳輸過程完全是擴散性的，因此速度很慢。在圖2a、b和圖2c層之間，通過周期性減速和加速，可以在幾秒鐘內實現相當快速的輸送和有效的混合。
關于最小層厚度，低于某個值，層變為亞穩定，并且在大的擾動，可能會分裂成“弧”，如圖2e、f所示。在作者的實驗中，實驗人員能夠制備薄至幾百微米的層(例如，圖2f、g中的150μm，圖2h、i中的300–400μm)。
圖2 旋轉層的混合、乳化和穩定性。
要點3.多步有機合成
通過對這些層的厚度和穩定性的精確控制，作者實現了幾個多層系統，在這些系統中，物質通過這些層遷移，實現一系列有機反應。圖3a系統中，不涉及層內或層間的混合，旨在說明僅通過層厚度和通過旋轉堆的擴散傳輸速率來控制反應結果。在此，在甲苯層3中原位生成的鏻鹽逐漸轉移到水層2，在水層2中它形成不溶于水的內鎓鹽，該內鎓鹽又遷移到二氯甲烷(DCM)相1中進行Wittig反應。當水層很薄(約1.5mm)時，主要產物是二元酸酯-P2，而不是單酯-P1(圖3b)。然而，當水層較厚時(約3.5至4.5mm)，單酯產物P1變得占優勢(圖3b)。在不同濃度下觀察到P1和P2形成的類似趨勢，這可以用反應擴散論點和內鎓鹽進入DCM相的通量差異來解釋(見圖3c)。
第二個例子如圖3d所示，是鎮痛藥N-(4-乙氧基苯基)乙酰胺的三層合成。在此系統和反應中，層內混合非常重要，因為它有助于補充界面區域附近消耗的試劑，并提高序列的總分離產率(48%，而沒有混合時為37%)。
在第三個例子中，抗變形蟲藥物糠酸二氯尼特由四層制成。該順序(圖3e)需要對甲氨基苯酚硫酸鹽的去質子化，游離胺向二氯甲烷/己烷層的相轉移，酰化形成酰胺，酰胺轉移到第二水層(其中苯酚被去質子化)，酚陰離子向最外層的TBAB調控轉移，以及最終的酰化步驟。總收率為25%，而且關鍵取決于750rpm至850rpm之間的速度變化，以及層內的混合結果。沒有混合，只檢測到微量產物。
圖3 同心液體反應器中的多步有機合成。
要點4.有機化合物的同時和選擇性萃取
只有幾毫米厚的有機層可以在兩側水層之間維持至少幾個小時，pH梯度可高達14個單位的。這一特性，加上在兩個水-有機界面附近進行可控且有效混合的能力(見圖2)，為同時進行而非傳統的分步酸堿提取開辟了道路。在圖4a中，內部酸性層和外部堿性層可同時實現對中間有機相物質的萃取。
通過使用合適的載體分子，支持酸堿度梯度的液體堆可用于從復雜混合物中選擇性提取分子。如圖4b所示，在該結構中，兩個不同酸堿度的水相被含有載體的幾毫米厚的有機層分開，實現了從模擬發酵液中選擇性地僅提取氨基酸。
圖4 三層體系中有機化合物的同時和選擇性萃取。
要點5.納米分離中的應用
接下來，作者考慮了比單個分子更大的物質。如圖5a–f所示，通過熒光谷胱甘肽封端的銀納米團簇(AgNCs)的純化實驗，來證明旋轉液體堆在納米分離中的實用性。
圖5 旋轉液體堆在納米分離中的應用。
小結
綜上，作者舉例說明了自組織形成的旋轉液體堆具有的不同應用場景，從有機合成到非常規分離。這些系統不僅是可擴展的，同時易于設置和控制。然而，未來使用中，液體密度與物質或中間產物溶解度相匹配可能是一個挑戰，特別是在多步合成中。但可預見的是，該技術在有用物質萃取和生物技術領域具有廣闊的應用前景。
小編感慨：
不用去追逐熱點。一臺簡單的離心機，用到極致，也是極好的。
道理，很多人都懂。
但是，這世上，又有幾人真正能把一件事做極致呢？
參考文獻：
Olgierd Cybulski, et al. Concentric liquid reactors for chemical synthesis and separation, Nature , 2020.
DOI: 10.1038/s41586-020-2768-9
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2768-9
