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米测MeLab

2025-07-02

编辑总结

尿素是最简单的含碳、氮和氧的有机分子之一，是连接化学与生命的重要化合物。同时，它也是最重要的工业化学品之一，主要用作肥料。尿素的传统生产通常依赖于氨和二氧化碳在高温高压等苛刻条件下的直接反应。本研究结合单液滴实验与量子化学建模，发现氨和二氧化碳可以在水性气溶胶液滴的气-液界面自发生成尿素，该过程发生在常温常压等温和条件下，无需额外催化剂。这一反应的驱动机制是水滴表面存在的化学梯度。这项发现对多个科学领域具有重要意义。——Yury Suleymanov

研究背景

尿素是探索生命起源中的关键分子，也是工业中大规模生产的基础化学品。传统上，氨和二氧化碳生成尿素需要高温高压，或者在温和条件下借助催化剂或其他试剂。

鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院的物理化学家Ruth Signorell教授课题组在Science期刊上发表了题为“Spontaneous formation of urea from carbon dioxide and ammonia in aqueous droplets”的最新论文。在本研究中，该团队观察到在常温常压条件下，氨和二氧化碳可在水滴的表面层自发生成尿素。研究通过光学捕获的单个液滴进行探测，并利用拉曼光谱特征带作为标志。作者发现，液滴的表面层如同一个微型流动反应器，化学梯度使得反应能够沿非常规路径进行。

这一发现揭示了液滴化学的通用反应机制。界面化学可能为前生命条件下非能量驱动的尿素生成提供一条可行路径。

研究亮点

（1）实验首次在常温常压下，利用单液滴光学捕获和原位拉曼光谱，直接观测到了氨和二氧化碳在水性气溶胶液滴表面自发生成尿素的过程，证明了无需催化剂和额外试剂的情况下，液滴界面化学能驱动尿素形成。

（2）实验通过控制单个微米级液滴尺寸及气相环境，消除了传统液滴群体研究中污染和副反应的影响，利用高表面积体积比液滴实现了对界面化学反应的高灵敏探测。

（3）结合量子化学计算，揭示了液滴表面存在化学梯度，促使中性碳氨酸在酸性条件下与氨在碱性条件下反应，开启了一条非常规的质子催化反应路径，替代了传统体相中碳酸氢铵中间体。该机制不仅解释了液滴中尿素生成的可能性，也展示了液滴作为微型反应器的独特作用。

（4）此外，补充的液滴群体和体相实验通过气相色谱-质谱和核磁共振验证了尿素的生成。该研究为前生命条件下无能量驱动的尿素合成提供了新的视角，对理解大气化学和生命起源具有重要意义。

图文解读

图1. 单液滴实验。

图2. 液滴群体实验与体相实验。

图3. NH₃ 与 CO₂ 生成尿素的分子结构及自由能图。

图4. 液滴中尿素形成的拟议机制图示。

 结论展望

本文通过单液滴原位拉曼光谱实验和量子化学模拟，首次揭示了氨和二氧化碳在水性气溶胶液滴表面常温常压条件下自发形成尿素的机制，打破了传统高温高压或催化条件下合成尿素的限制。研究发现，液滴表面存在显著的化学梯度，使中性碳氨酸与氨能够在酸碱条件不同的微环境中发生反应，开启了一条非常规的质子催化路径，体现了液滴作为微型流动反应器的独特化学特性。该发现不仅拓展了对气溶胶界面化学反应的理解，还为前生命化学过程提供了新的可能性，暗示在早期地球富含二氧化碳和氨的环境中，尿素或可通过无能量驱动的界面反应自然生成。本文成果推动了对生命起源化学路径的深入探讨，也为绿色低能耗尿素合成工艺的研发提供了科学依据，具有重要的基础科学价值和潜在应用前景。

原文详情：

Mercede Azizbaig Mohajer et al. ,Spontaneous formation of urea from carbon dioxide and ammonia in aqueous droplets.Science388,1426-1430(2025).DOI:10.1126/science.adv2362