每当感叹人生沉浮，很多人都会说一句：钱很重要，但并不是最重要的。
人生如此，科研亦如是。
不得不承认，很多时候，没有钱做不了科研。
但是，科研最重要的是什么？
不是钱，是想法！
不去细数那些古往今来的伟大科学成就，今天，我们就举一个简单的例子：如何用一台“离心机”，研究一个世界级的科学难题。
第一作者：Olgierd Cybulski，Miroslaw Dygas
通讯作者：Bartosz A. Grzybowski
通讯单位：韩国国立蔚山科学技术院，波兰科学院
研究亮点
1）提出了一种非平衡系统-旋转液体堆；
2）对旋转液体堆的混合、乳化和稳定性进行了详细研究和分析；
3）将该旋转液体堆应用于多步有机合成、萃取和纳米分离等领域。
近年来，人们对能够支持多步化学过程而不需要手动处理中间体的系统，越来越感兴趣。这些系统要么基于分批反应器的集合，要么基于流动化学设计。然而，这两者都需要耗费相当大的工程努力。
为了解决这个问题，韩国国立蔚山科学技术院、波兰科学院Bartosz A. Grzybowski团队开发了一个类似离心机的非平衡系统，其中不同的反应区自组织成一个几何形状，可以决定整个过程序列的进展。“无壁”同心液体反应堆，将传统静态环境中的材料和/或化学系统移植到旋转参照系中，具有明显优势。
要点1. 旋转下的同心液体层
在图1a中，容器安装在电动机的垂直对齐的轴上。没有旋转时，液体是水平分层的，最稠的液体(透明的氟醚FC-40)在底部。当容器开始旋转时，液体出现倾斜剖面，斜率逐渐增加，最终在最高转速(ωc≈2600rpm)下，呈现同心层结构，其中FC-40形成最外环，容器的中心部分被空气占据。
新的液体可以通过在旋转中心附近，或通过嵌入容器底面的通道系统，添加已经旋转的堆中(图1b，c)。值得注意的是，当不同液体的添加是连续的时，不仅所有不混溶的液体，而且成对不混溶的液体也可以堆叠起来：通过对液体添加的适当控制，可以组装包括20层以上的稳定堆叠(图1d-f)。
图1 旋转下的同心液体层。
要点2.混合、乳化和稳定性
在恒定转速下，液体受刚体转动的影响，各层的传输过程完全是扩散性的，因此速度很慢。在图2a、b和图2c层之间，通过周期性减速和加速，可以在几秒钟内实现相当快速的输送和有效的混合。
关于最小层厚度，低于某个值，层变为亚稳定，并且在大的扰动，可能会分裂成“弧”，如图2e、f所示。在作者的实验中，实验人员能够制备薄至几百微米的层(例如，图2f、g中的150μm，图2h、i中的300–400μm)。
图2 旋转层的混合、乳化和稳定性。
要点3.多步有机合成
通过对这些层的厚度和稳定性的精确控制，作者实现了几个多层系统，在这些系统中，物质通过这些层迁移，实现一系列有机反应。图3a系统中，不涉及层内或层间的混合，旨在说明仅通过层厚度和通过旋转堆的扩散传输速率来控制反应结果。在此，在甲苯层3中原位生成的鏻盐逐渐转移到水层2，在水层2中它形成不溶于水的内鎓盐，该内鎓盐又迁移到二氯甲烷(DCM)相1中进行Wittig反应。当水层很薄(约1.5mm)时，主要产物是二元酸酯-P2，而不是单酯-P1(图3b)。然而，当水层较厚时(约3.5至4.5mm)，单酯产物P1变得占优势(图3b)。在不同浓度下观察到P1和P2形成的类似趋势，这可以用反应扩散论点和内鎓盐进入DCM相的通量差异来解释(见图3c)。
第二个例子如图3d所示，是镇痛药N-(4-乙氧基苯基)乙酰胺的三层合成。在此系统和反应中，层内混合非常重要，因为它有助于补充界面区域附近消耗的试剂，并提高序列的总分离产率(48%，而没有混合时为37%)。
在第三个例子中，抗变形虫药物糠酸二氯尼特由四层制成。该顺序(图3e)需要对甲氨基苯酚硫酸盐的去质子化，游离胺向二氯甲烷/己烷层的相转移，酰化形成酰胺，酰胺转移到第二水层(其中苯酚被去质子化)，酚阴离子向最外层的TBAB调控转移，以及最终的酰化步骤。总收率为25%，而且关键取决于750rpm至850rpm之间的速度变化，以及层内的混合结果。没有混合，只检测到微量产物。
图3 同心液体反应器中的多步有机合成。
要点4.有机化合物的同时和选择性萃取
只有几毫米厚的有机层可以在两侧水层之间维持至少几个小时，pH梯度可高达14个单位的。这一特性，加上在两个水-有机界面附近进行可控且有效混合的能力(见图2)，为同时进行而非传统的分步酸碱提取开辟了道路。在图4a中，内部酸性层和外部碱性层可同时实现对中间有机相物质的萃取。
通过使用合适的载体分子，支持酸碱度梯度的液体堆可用于从复杂混合物中选择性提取分子。如图4b所示，在该结构中，两个不同酸碱度的水相被含有载体的几毫米厚的有机层分开，实现了从模拟发酵液中选择性地仅提取氨基酸。
图4 三层体系中有机化合物的同时和选择性萃取。
要点5.纳米分离中的应用
接下来，作者考虑了比单个分子更大的物质。如图5a–f所示，通过荧光谷胱甘肽封端的银纳米团簇(AgNCs)的纯化实验，来证明旋转液体堆在纳米分离中的实用性。
图5 旋转液体堆在纳米分离中的应用。
小结
综上，作者举例说明了自组织形成的旋转液体堆具有的不同应用场景，从有机合成到非常规分离。这些系统不仅是可扩展的，同时易于设置和控制。然而，未来使用中，液体密度与物质或中间产物溶解度相匹配可能是一个挑战，特别是在多步合成中。但可预见的是，该技术在有用物质萃取和生物技术领域具有广阔的应用前景。
不用去追逐热点。一台简单的离心机，用到极致，也是极好的。
道理，很多人都懂。
但是，这世上，又有几人真正能把一件事做极致呢？
参考文献：
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
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