朱继银

氮（N），是地球上构成生命的必需元素，当两个氮原子以三键结合时，会形成在常温常压下呈气态的双原子分子（N2）。氮分子中的N≡N键很牢固，导致它们的化学性质非常稳定，所以大多数生物并不能直接利用这种形式的氮。那么，如何击破这种坚固的化学键，让氮为我们所用呢？

“冒险小精灵”的穿梭之旅

氮就像是爱冒险的小精灵，“伪装”成各种样子穿梭在天地间，最终又重新回到氮的形式，完成它的使命。

在雷雨天气时，氮气和水中的氢会在雷电的作用下变成可以被植物（尤其是豆科类植物）利用的氨。这种氨被豆科类植物的根瘤菌吸收，然后转化为豆科类植物生长所必需的氮。氮以这种形式进入植物后会在植物体内转化成各种含氮有机物，其中最具代表性的就是蛋白质。

人食用了含有蛋白質的植物或者动物后，会将蛋白质转化为氨基酸并吸收利用，氮元素和人就有了直接联系。通过人体的消化、吸收、排泄等一系列过程，氮元素会重新回到自然界，继续参与循环，这样就完成了基本的人体与大气之间的氮循环。

氮氮三键：紧紧拉着放不开

自然界中的氮多以氮气的形式存在，但是氮气实际上很难参与化学反应，化学家认为它是惰性分子。

氮气化学性质很不活泼，与它的分子结构直接相关。2个氮原子以三键的形式结合成为氮分子，三键的存在让2个氮原子像磁铁的两极一样紧紧地结合在一起，不愿与别的原子“做朋友”。

 固氮方式示意图

氮气也有“天敌”：固氮酶

要想利用氮气，就需要将它转化为氨气（NH3），这个过程被称为“固氮”。

固氮方式主要包括生物固氮、工业固氮、高能固氮（即通过雷电作用固氮，又叫作电离固氮）。其中高能固氮量很少，在氨合成工业技术出现之前，基本都是靠生物固氮，这就要用到能将氮气转化成氨的固氮酶。

固氮酶仿佛是氮气分子的“天敌”，一旦遇到固氮酶，氮气分子就会变成氨。固氮酶的构成元素主要包括铁（Fe）、硫（S）、钼（Mo）和碳（C）。

近日，美国麻省理工学院的研究人员创造了一个有3个铁原子、4个硫原子、一个钼原子，没有碳原子的团簇（由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体）。

氨气与铁硫团簇发生化学反应示意图

他们发现，当氮气与这些团簇相遇时，氮氮三键坚固的连结，就会被“斩断”。

当然，在模拟氮气与铁硫团簇的结合时，研究人员遇到了一些挑战：当团簇在溶液中时，它们首先会自身发生反应，而不是与氮气结合。为了解决这个问题，研究团队利用一种配体为原子簇创造了一个保护性的环境。研究人员将配体连接到每个金属原子上，留有一个铁原子，这是氮气与原子簇的结合位点。因为有这些配体的存在，就能防止不必要的反应。

这一发现可谓是“铁硫团簇化学中的一个重要里程碑”，对于研究铁硫团簇的科学家和生物无机化学家来说是一次重大进展。更重要的是，这一进展表明，铁硫团簇具有丰富的化学特性尚未被发现。这项研究使我们能够更加深入了解激活这种真正的惰性分子的机制。

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 / 李子夜）