在一個細雨濛蒙的下午，趙岩指著校園窗外的樹木。作為愛荷華州立大學的化學教授，他正在開創一種新型合成催化劑，這種催化劑可以分解纖維素，而纖維素是植物纖維，是樹木高度和強度的來源。纖維素經久耐用–樹木不會在雨後消失，因此分解纖維素是一項巨大的挑戰。

在分解纖維素的競賽中，合成催化劑現在處於兩種天然酶的中間位置。插圖：Yan Zhao/愛荷華州立大學

趙認為，他有一個想法和一項技術可以完成這項工作，使植物生物質成為一種實用的醣類來源，可以轉化為燃料和化學品等多種用途。

向大自然學習

趙岩和他的研究小組正在開發的合成催化劑就像超級酶一樣，能夠像自然界中的酶一樣分解纖維素，但要在更極端的環境中並經過反复循環使用。

“我們的靈感來自生物學，”趙說。”我們試圖複製天然酶的特徵。到目前為止，我們取得了不錯的成果。”

酶是一種天然蛋白質，起著催化劑的作用，能調節化學反應，使生物過程和生物體的功能得以維持。例如，酶催化細胞新陳代謝，包括分解食物以供消化。三種酶–內纖維素酶、外纖維素酶和β-葡萄糖苷酶–可以分解和消化植物纖維或纖維素。

趙岩正致力於開發合成催化劑，以幫助工業界分解植物纖維，生產燃料和化學品。資料來源：Christopher Gannon/愛荷華州立大學

天然酶似乎是工業界加工纖維素的好幫手。但它們價格昂貴。它們無法在高溫或非水溶劑中生存。而且它們不穩定，很難再循環用於生產。

趙的研究小組經過大約10 年的努力，開發出了能夠解決這些問題的納米粒子催化劑。美國國立衛生研究院和美國國家科學基金會（NSF）為這項工作提供了資助。愛荷華州立大學研究基金會正在為這項技術申請專利保護，並尋求商業合作夥伴。

美國國家科學基金會（NSF）新近撥款70 萬美元（其中40 萬美元用於愛荷華州立大學的研究），為期三年，將推進趙國棟關於仿酶催化劑的最新想法。新項目包括由波士頓東北大學化學和化學生物學助理教授董思佳（Sijia Dong）對活性反應位點進行計算機模擬。

趙說：”模擬將幫助我們更好地理解我們的系統。這是一個非常複雜的系統。”

充分利用膠束

趙的研究小組正在利用被稱為膠束的動態納米球。當表面活性劑分子鏈（可降低液體的表面張力）接觸到水時，它們會自行組裝起來，使分子中親水、喜水的頭部形成一個外殼，而憎水、疏水的尾部則在外殼內轉動。

研究小組找到了一種讓膠束在類似活性位點的模板分子周圍聚集的方法。這些”分子印跡納米粒子”在紫外線照射下凝固後，大小為50億分之一米，其形狀和大小完全可以模仿天然酶的結合和催化特性。這種納米粒子上的催化基團直接指向纖維素聚合物中的糖鏈，可以高效、有選擇性地分解纖維素聚合物。

根據項目摘要，”如果研究成功，將產生纖維素（分解）合成催化劑，其活性可與天然纖維素酶相媲美，但更易於製備和回收利用”。這可能使它們成為工業界的一個可行選擇，他有興趣與企業建立合作關係。畢竟，這項技術符合國家和時代的需要。

趙說：”生物質轉換不僅對愛荷華州是一件大事，全州農田裡種植的生物質具有潛在的市場，而且現在全世界都對碳中性經濟和可持續發展感興趣。”