ACS C&EN封面故事:最应关注的10个化学初创公司(上)

2015-11-25 共计 2742 次阅读

时下,创业已然成为一种蓬勃兴起的热潮,中国政府也正大力鼓励技术创新和创业。咱们化学界的才俊也有不少有意于把自己的聪明才智投入到这股洪流中去。那么,怎样才能把我们的化学技术转化为创业的产品呢?美国化学会(ACS)旗下的新闻周刊《Chemical & Engineering News》(C&EN)以“封面故事”的形式,介绍了最应关注的10个化学初创公司。

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1. Bolt Threads

想象一下,一种纤维的强度是钢的五倍,但却比羊毛更柔软。这种材料听起来象是只有“蜘蛛侠”这样的超级英雄才会拥有,但化学家Dan Widmaier正在使这一梦幻般的纤维成为现实。2010年,Dan Widmaier与同伴共同创办了Bolt Threads公司,开发一种廉价的方式来人工合成蜘蛛丝并将其织成纱。

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Dan Widmaier的想法并不算新颖。科学家们在过去的二十年里,都试图找出制造合成蜘蛛丝并使之纺成纱的化学和生物方法。如今Bolt的科学家们终于有可能破解与此有关的大自然的密码,该公司预计其蜘蛛丝工艺将在明年实现商业化。如果成功地实现这个目标,它可能会成为第一家使蜘蛛丝面料进入市场的公司。

Bolt的科学家利用重组技术来修改蜘蛛的丝蛋白基因,并将其插入到酵母菌株的遗传密码中。饲以糖和水并静置发酵,酵母就能表达蜘蛛丝蛋白。该公司还可以通过修改基因序列调节丝制品的性质,比如让其更有弹性或强度更大。经过一些处理步骤,这些丝蛋白通过类似于纺腈纶和粘胶纤维的湿纺系统转换成纱。

也有其他企业在蜘蛛丝纤维商业化进程中与他们竞争。密歇根州的Kraig Biocraft实验室说,它正与纺织企业合作,使用其蚕-蜘蛛丝混合纤维(通过将蜘蛛DNA转入蚕体内)生产纺织品。而德国的AMSilk在2014年初就已生产出了蜘蛛丝蛋白,用于洗发水和化妆品。但到目前为止,AMSilk还未能找到方法让纱线同时具有优良力学性能和合适价格。

Bolt并不惧怕竞争。该公司表示,其工艺已经具备了商业化的条件。美国的一家定制生产商将提供所需蛋白质,而该公司正在探索各种纺纱的途径。

此外,Bolt预计其纺纱过程中生产的蜘蛛丝纱的价格将低于每公斤100美元。该公司相信这个价格将允许它与品质优良的天然纤维如羊绒、丝绸、马海毛等材料竞争。“我们非常有信心,我们的商业化蜘蛛丝成本降低了,与以前相比有显著的优势,”Widmaier说。

投资者们也对Bolt充满信心。在其最初的几年,公司从Foundation Capital和Formation 8得到了4000万美元的投资保证,这使其他蜘蛛丝公司所筹集到的资金相形见拙。Bolt已经使用了一些资金建立一个研究小组,目前该公司有50名员工,几乎所有的员工都是科学家。

Bolt计划在2016年前启动商业化纺纱,如果成功的话,我们可能很快就会抛弃涤纶、羊毛或纯棉布的服装,而享受蜘蛛丝所织衣服的新奇体验。

2. Carbon3D

我们之前曾经报导过北卡大学的化学教授Joseph DeSimone所发明的直接从液态材料进行3D打印的技术。这种神奇的革命性技术,正是Carbon3D公司的核心技术。

3D打印具有从根本上改变制造业的巨大潜力,可以根据需求定制零部件。医生们可以打印适应婴儿气管的支架,以挽救其幼小的生命;宇航员可以在太空打印工具和零件,以备不时之需;而制药厂,甚至可以用这一技术生产药物。

但是,3D打印在很大程度上仍是一个小众的技术,因为目前的打印机无法足够快速地创造高品质的零部件与当前工业界的方法竞争。不过,DeSimone认为Carbon3D的新技术可以,“我认为这将会改变社会的游戏规则,”他说。

所有现有的3D打印技术其实只是一遍又一遍地重复2D打印过程,DeSimone说。当前打印机将打印的2D平面从上到下堆叠起来。这种堆叠可能需要数小时,而且这种分层可能影响最终产品的机械性能。

但是Carbon3D已经开发出一种方法,以比常规3D打印高100倍的速度打印高性能部件。其技术的关键就在于化学反应。与分层打印不同,Carbon3D的打印机使打印对象在树脂池中“生长”起来。树脂的固化(或硬化)过程由氧气的用量和紫外光的组合来控制。

UV光通过可渗透氧气的特氟隆窗口,在打印机的底部向上照射进入树脂池。通过控制在树脂中的氧浓度,使得在UV聚焦成像处的液体树脂具有合适的固化条件。在树脂池中间固化的机制,使得未固化的聚合物可以迅速补充聚合区域,这大大加快了打印过程。计算机控制将刚刚打印的3D固件拉出树脂池。UV光的照明图案决定了零件的形状,也是由计算机控制的。最终的结果是,该打印机将一个完全形成的、复杂的对象从树脂池拉出。

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DeSimone在三月的TED大会上推出了该技术。Carbon3D得到了著名风险投资公司红杉资本以及越来越多的投资者的支持。在最近的一次总值达1亿美元的融资中,谷歌风险投资公司成为领头羊,其中也包括俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳和南非的鲁珀特家族。

Carbon3D已经拥有超过80名员工,而且还在迅速扩大可印刷的聚合物组合。该团队可以打印刚性的塑料或有韧性的弹性体。效果与传统的方法(例如注塑成型)一样好,DeSimone说。几乎任何一个工程师通过设计软件绘制就可以打印,这可能意味着能够创造具有显微格结构的汽车零部件,使其增加强度、减轻重量、提高燃油效率。

“我认为这将彻底改变很多行业,大到航空航天和汽车,小到洗衣机和烘干机,”DeSimone说。Carbon3D已与福特汽车公司和设计好莱坞大片视觉效果的Legacy Effects开始合作,但DeSimone没有透露合作的具体内容。

“我们非常兴奋可以改造这些不同的行业,”DeSimone说。“我们的技术将让人们做到以前不可能的事情。”

3. Connora Technologies

轻质碳纤维复合材料使我们的汽车和飞机更有强度更省油。如果这些汽车和飞机报废后能够回收利用这些宝贵的材料,那就更好了。但可惜的是,目前还没有办法做到这一点。

碳纤维复合材料是由热固性树脂,通常是环氧树脂胶合而成,这是不能像热塑性塑料那样回收利用的。热塑性塑料可以重新熔化,然后再次成形。热固性塑料则不同,它们受热时,在融化之前就已经分解了。

Connora Technologies想要克服这种困难,设计具有可回收性的热固性塑料。这家公司的创始人希望,该技术将能够使轻质复合材料更多地应用于诸如汽车这样的领域。

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为了制作环氧树脂,表氯醇与双酚A反应,以形成粘性的双酚A二缩水甘油醚液体。这种醚又与固化剂混合,这种固化剂具有与这种醚的环氧基团反应的胺基团,从而使分子通过在三维空间共价键交联成为硬质材料。

Connora已经开发出一类新的固化剂,叫做Recyclamine。这些聚缩醛类分子内部具有可被酸分解的化学键,使其成为环氧树脂结构的一部分。

这个想法是Connora的首席技术官Stefan J. Pastine当年在美国加州大学伯克利分校Jean M. J. Fréchet的实验室作博士后时产生的。该实验室的研究重点是响应材料分子,即在特定条件下发生化学转变的分子,如光致抗蚀剂。在寻找适用于这个想法的高分子聚合物时,Pastine想到了环氧树脂。“这种材料不是可回收的,并且这种复合材料的应用也越来越多,”他回忆道。

Connora正在围绕Recyclamine建设一种可回收的化学系统。其中,碳纤维复合材料在约100℃的乙酸浴中浸泡后不到两小时,所有的可裂解键都会断裂,然后树脂就可与碳纤维分离开来。干净的碳纤维就可以从中滤出。当把酸溶液中和后,溶解的聚合物又会从溶液中沉淀出来。

回收的聚合物具有热塑性,而不是像环氧树脂那样可以再次交联成热固性塑料。据Connora的CEO Rey Banatao说,该聚合物的物理性质类似于尼龙和聚丙烯。而由于其来自于环氧树脂,这种聚合物还具有粘合性能。

但回收过程的更引人注目的目标应该是碳纤维。“热塑性塑料的价格很便宜,”Banatao说,“但碳纤维是很昂贵的”。

其它回收碳纤维的方法要依靠热解反应,即燃烧环氧树脂。但是,Banatao说,热解会降解碳纤维,使其价值和性能降低。他声称,通过Connora的技术回收的碳纤维保持了其原有的性质。

Connora正与一个不愿透露名字的化学品生产商合作,它为Connora今年的正式推出的产品提供数吨的Recyclamine。Connora正在寻找体育用品制造商作为他们的第一个客户,如自行车车架、滑雪板、滑板和冲浪板等。

该公司希望最终将Recyclamine用于汽车业。欧洲规定了可回收材料必须占每辆汽车的85%,Banatao认为,Recyclamine将有助于使复合材料满足这些要求。这个过程也有助于汽车制造商回收在用复合材料零件制造的过程中产生的废料。

Connora已经得到Entropy Research Labs、Chemical Angel Network和Samsung Ventures的投资,目前,该公司正在推行A轮系列风险投资的融资。

Banatao预期有那么一天,Connora的材料会产生很大的影响。“使用在工业上可行的方法将热固性转换成热塑性塑料,我们基本上是第一个,”他说。


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