水是最常见但也是最神奇的物质。哪怕是一“滴”水，它只有千万亿分之一升，却能加速化学反应，所展现出的催化效应令无数科学家瞠目结舌。这就是近些年化学领域前沿热点——水微滴研究。目前水微滴在有机化学合成、固氮固碳等领域显示出了巨大的应用潜力，然而其加速反应的机理却不明确，甚至存在很大争议。

　　水是维持生命的必要物质。工业以及农业生产中，水亦是不可或缺的重要原料；化学实验室中，水也是重要的溶剂。除了以上所需的“大量”水溶液，千万亿分之一升（立方微米）级别的水也广泛存在于自然环境里，如大气中的水蒸气。令人惊讶的是，近年来随着化学研究的深入，人们发现体积如此之小的“水微滴”（water microdroplet）能够将一些化学反应的速率提升约10倍甚至1000000倍！关于水微滴的研究迅速成为化学领域的热点。在读者阅读这篇文章时，相信世界各地的化学实验室正在积极推进微滴化学的研究。

　　顾名思义，水微滴是指体积很小的水滴，其直径范围约为1微米至1000微米；它的物理构成上涉及由水分子构成的液相，外围包裹微滴的气相（通常为空气）以及气液两相所形成的气-水界面。虽然微滴研究在化学合成领域较为新颖，但水微滴在日常生活和其他科学研究中并不罕见。家庭中所使用的加湿器就是一个良好的水微滴发生器，水在高频物理振动下被打散成为直径1-10微米的水滴，这些水微滴在空气中扩散从而增加了室内的空气湿度。水微滴也广泛存在于大气层的云和雾中，其物理化学性质对于研究大气反应至关重要。长期以来，由于体积小、所能包含的反应物有限，以及需要灵敏的测量手段等原因，水微滴直到近期才在化学合成领域崭露头角。

　　水微滴在化学领域的研究最早可以追溯到上世纪70年代。随着高精度分析测量仪器的发展，特别是高分辨率的质谱仪（如离子回旋共振等）逐渐被应用于化学领域，高精度测量化学反应速率得以实现。作为相关研究的先驱者，美国化学家John Brauman利用质谱仪测量了大量有机分子的反应速率常数，发现许多气相反应的速率远高于相应的液相反应。到了80年代，电喷雾电离（Electrospray Ionization）技术诞生，利用高电压将液体电离成带电微滴，可产生包含有特定反应物带电离子的水微滴，并可直接被送入质谱仪中进行分析，其发明者美国化学家John Fenn也因此获得了2002年的诺贝尔化学奖。

　　以质谱仪为中心，普渡大学Graham Cooks教授团队从上世纪90年始对离子反应进行研究，探索其在医药、生物化学和有机化学等领域的应用。在这期间，他们测量多种化学反应在水微滴的反应速率，初步显示了水微滴在化学合成领域的潜力。2011年，Cooks教授团队及其合作者创造性地利用酮类固醇和Girard试剂T的有机反应，首次清晰地展示水微滴的加速效果[1]。随后，Cooks教授、斯坦福大学Richard Zare教授及其他学者开始尝试将这一特性应用在化学合成中：他们的研究表明，许多化学反应在微滴中的反应速率远大于其在水溶液中对应的速率，加速倍率最高能达到106量级。

　　随着研究的不断深入，微滴化学的潜力被越来越多的学者发现。经过短短不到十年的发展，围绕水微滴加速化学反应展开了机理解释、反应类型、潜在应用等多方面的深入研究。同时，微滴化学的研究也促进了人们在固氮、二氧化碳转换和生命起源等重要问题的理解，并有望探索新型的反应路径，降低反应的活化能。通过利用水微滴，部分化学反应需要的实验室条件从严苛的高温高压转变为常温常压，在大大降低化学反应所需能耗的同时，提升了反应的安全性，使得化学合成向着更清洁、高效和安全发展。

　　研究发现水微滴可以对相当多种类的化学反应进行较大幅度的加速。例如，对Girard试剂T与酮类固醇等羰基化合物生成对应腙类化合物、Michael加成反应、脱水反应、席夫碱合成等加成消去反应；胺和硫化物等氧化还原反应；以及Mannich缩合等一系列有机合成反应。金属离子催化的蛋白质折叠与反折叠动力学过程也被发现在水微滴中显著加快。水微滴在这些微纳尺度的化学反应中发挥了类似催化剂和活性中心的作用，成为了研究人员探索新型化学反应路径和研究快速微合成等方面的有力工具。

　　有机反应作为构建许多关键工业产品和材料的基础，在现代人类社会生产中扮演着至关重要的角色。其中，醛类氧化生成羧酸是最基础和常见的有机反应类型之一，被广泛地应用于化妆品、塑化剂、纤维、生物质衍生化合物以及药品的生产中。可以说，烃类、醛类等化合物的氧化反应是将初级原料点石成金，得到高附加值产品的关键手法。然而，由于大多数醛类的化学性质较稳定，在工业上常用的醛类氧化方法通常需要使用包含过渡金属强氧化剂，比如Cr(IV) 基的Jones氧化剂、Ag(I)基的Tollen试剂、Cu(II)基的Fehling氧化剂或者高锰酸氧化剂等。在长时间和大规模生产的需求下，这些传统方法所带来的高昂成本和对环境的危害是不可忽视的。

　　氧气作为天然的氧化剂具有环境友好、廉价易得、原子利用率高等优良性质，如何利用气态氧将醛类氧化生成羧酸是学术和工业界长期以来共同探索的热门课题。

　　2018年，Zare团队尝试在水微滴中利用氧气对多种醛类进行氧化生成对应羧酸的反应[2]。实验结果表明，在水-乙醇微滴和醋酸镍催化剂的作用下，所测试的脂肪族、芳香族和杂环类醛化合物在温和条件下，均可在30分钟内被氧气氧化形成对应的羧酸，产率62%-91%。以对叔丁基苯甲醛（4-tert-butylbenzaldehyde，分子式为C11H14O，是合成香料、染料和药物等精细化学品的重要原料）为例，相同温度、压强等条件下，在往反应物溶液中鼓入氧气气泡的对照实验中，相对应羧酸的产率不到1%，仅为微滴实验的1/50。通过调整电喷雾喷嘴处所放置金属网格的直径和层数，研究发现反应产率随微滴直径的减小而提升，并在直径为3微米时达到最大值。相反地，当微滴直径过大如90微米时，氧化反应产率仅有不到5%。微滴直径与产率的关系证明了微滴对这些醛类氧化反应的加速作用发生在包裹微滴的气-液界面上。

　　2019年，Zare团队继续报道了在水微滴中自发生成过氧化氢（H2O2）的现象，迅速引起了学术界的关注[3]。虽然水微滴中自发生成H2O2的机理目前仍不明确，甚至引发极大争议（本文后面会介绍），但在此基础上，研究团队进一步在水微滴中演示了，在室温条件下，不添加额外催化剂和氧化剂的Dakin氧化反应：羟基苯甲醛在水微滴中成功被氧化成为邻苯二酚（分子式为C6H6O2，由两个羟基取代苯环相邻位置的H所形成，是重要的化工原料，广泛应用于农药、医药、香料、染料、感光材料以及橡胶等行业）， 反应时间仅为0.1-13 毫秒[4]。相反，其在水溶液中Dakin氧化反应需在加入过量H2O2氧化剂、且在强酸/强碱和高温条件下才可进行。

　　尽管水微滴在实际的醛类氧化等有机合成上仍需要大量深入的研究，微滴所表现出来的优异催化效率和氧化性已经展示了其在化学合成领域的应用前景。

　　关于生命起源的问题，水微滴研究带来了新的见解。生命起源的基本理论认为，最初海洋中存在的肽、核苷酸等基本的生物分子是生物起源的必要条件。地球上的生命起源于水，然而在生命诞生之前，地球表面被海洋所覆盖，环境中过多的水分子可能阻碍氨基酸之间的脱水反应，从而影响了肽的生成。生物体内的蛋白质合成依赖于各种生物酶催化功能，而最初在缺少酶的情况下，氨基酸是如何在自然环境下通过非生物方法转化成简单的肽分子是生命起源研究的关键问题。

　　科学家们研究了甘氨酸（Gly）和丙氨酸（Ala）在水微滴中的反应[5]。实验通过电喷雾电离产生仅包含甘氨酸或丙氨酸的水微滴，并在常温常压下扩散进入后端的质谱仪，研究人员发现在扩散中的水微滴内形成了双肽（GlyGly或 AlaAla）。论文作者认为，是水微滴的气-水界面提供了必要的“干燥”条件，克服了液相中氨基酸脱水反应的热力学障碍，从而可以在温和且无催化剂的条件下促进氨基酸的缩合反应。

　　这一发现意味着，在早期的海洋环境中，水微滴可能在生命的诞生中扮演了关键的角色：通过其特殊的气-水界面，为氨基酸的脱水反应创造了有利条件，从而促进了诞生生命所必需蛋白质的进一步合成。另外，核苷酸作为RNA合成的基本组成单元，在水溶液中的生成同样为吸热反应，其在水微滴中被发现可在镁离子催化剂作用下在温和条件下合成[6]。这些发现使人们重新认识水在生命起源中的作用，也为未来的生命科学研究提供了新的启示。

　　微滴化学的近期研究成果在固氮、碳封存等领域也展现了神奇的作用。固氮，是指将分子氮（N2）转化为氨或其他含氮化合物（如尿素[CO(NH2)2]）的过程。固氮过程所产生的氨、尿素等化合物后续可被加工制作为化肥，对农业生产具有重要作用。虽然空气中富含氮气（N2），但N2分子中的两个N原子形成了非常稳定的N≡N三键，在通常条件下的反应活性很低。工业上大规模生产氨的所采用的方法被称为哈伯（Haber–Bosch）法，需在高温高压的条件下，借助铁基催化剂将N2和H2转化为氨。据统计，由这一方法所产出化肥所促进的粮食产量养活了全世界约50%的人口，其发明者德国化学家哈伯（Fritz Haber）由此获得了1918年的诺贝尔化学奖。然而世间安得双全法，这项发明于100多年前的“古老”方法完美符合了大众对化工生产的刻板印象——实用、有效但高风险、高污染。据调查分析，每年仅合成氨反应一项便占了全世界总能源消耗的2%之多，其向大气释放的CO2约为总排放量的1%。能够大规模应用的绿色、高效的固氮方法，长期以来都是整个人类社会的迫切期望。对此，近期化学界相关成果有望提供“水微滴”版本的解决方案。

　　2023年4月，研究者们发现了一种在常温常压下将氮气和水转化为氨的方法[7]。实验通过超声喷雾装置将液态水打散形成直径约为10微米的水微滴并通过N2或空气带出，并在常压条件下通过表面嵌有Fe3O4和Nafion材料作为催化剂的石墨网格，固氮反应仅在水微滴接触催化剂表面约0.2毫秒的时间内发生。另外，通过对温度、电压、毛细管直径、水微滴直径等条件的优化探索，团队发现在不需要额外电压和加热的条件下即可达到良好的反应效率。

　　试想一下，倘若未来能实现在温和条件下的大规模人工固氮反应，且没有CO2气体的排放，甚至不需要消耗大量额外能源，那么全世界每年可节约以亿千瓦时为单位计量的能源消耗，减少千亿吨CO2气体的排放。这对于缓解世界性的化石能源枯竭、气候变暖等问题具有重大意义。

　　2023年12月，研究团队进一步在之前工作的基础上提出了一种利用水微滴将N2和CO2一步转化为尿素的方法。同之前的实验步骤相似，将产生水微滴喷雾装置的喷雾气体替换为等体积N2和CO2的混合气体，使用CuBiO4作为固体催化剂。质谱分析的结果显示，N2和CO2在气-液-固三相的催化体系中被成功地转化为尿素。另外，在将水替换为甲醇后，尿素的质谱仪信号逐渐消失，说明了水微滴在反应中不仅作为H源提供了尿素分子的H原子，其内禀的特殊属性也是驱动反应发生的关键因素。

　　在令人惊讶的实验现象背后，科研工作者也尝试从各种角度理解水微滴加速化学反应的物理化学机制，提出了多种模型和猜想。然而，水微滴的微纳空间尺度和超快反应的时间尺度对实验及计算手段提出新的挑战，其加速化学反应的微观机理研究虽有一定进展，但还远称不上成熟，目前存在一定的争议。

　　要想真正了解水微滴加速化学反应的原因，我们必须把握并构建现实的物理化学体系，涉及到微观尺度下的水化学及界面科学。通过对比水微滴与液相水，我们可以发现其中端倪。

　　首先，水微滴与体相水最直观的区别就是由于液体直径减小所带来的面积-体积比的增。