所谓的炼金术就是一门理解、拆分并对物质进行重新构筑的科学技术
若是运用自如，甚至可以化铝为金
▲钢之炼金术师
这是动画片《钢铁的炼金术士》中的第一句台词。这部漫画讲述的是主人公为了寻找可以实现一切的万能物质——“贤者之石”而去旅行的故事，每当遇到危险的瞬间，主人公就会通过炼金术将周围物质转换成武器使用。
就像漫画中的台词一样，炼金术不是科学。当然，曾经有一个时代，人类相信炼金术是科学。
炼金术根植于亚里士多德的四元小说中，其中万物由水、火、空气、土四大元素组成。其主张是，世界上所有的物质都是用这4元素的适当比例组合而成的，只要改变各元素的比例，铅也可以变成黄金。这种信仰一直延续到19世纪，直到让位给科学。
但是到21世纪，科学家们正在研究将空气中的二氧化碳转化成其他物质的“炼金术”。虽然没有“贤者之石”，也不是黄金般昂贵的贵金属，但是研究着对人类有益，进而拯救地球的武器。
为什么二氧化碳应该用作炼金术的材料？
▲南极冰盖地区测定的温度变化（浅蓝色），二氧化碳变化（深蓝色）
在地球历史上，每当大气中二氧化碳浓度增加时，地球的温度肯定会上升。因为温室气体二氧化碳会使地球上的部分能源不再流向太空。 特别是二氧化碳对调节另一个温室气体之一的水蒸气量、决定温室效果等作用尤为重要。
那么，目前大气中二氧化碳的浓度有多严重呢？据刊登在《Elements》上的某研究显示，从1750年至今，人类向大气释放的碳，比小行星撞击导致恐龙灭绝发生的碳排放还要多。
6600万年前袭击地球的小行星使包括恐龙在内的地球上75%的生命灭绝。当时的冲击力是原子弹的数十亿倍，但由于该爆炸产生的地震、火山爆发、山火等向大气中排放了大量二氧化碳。研究组表示，据推测，当时向大气中排放的二氧化碳达1400亿吨，但这种排放的二氧化碳引发的温室效应使地球温暖，使海洋酸化数百年，为白垩纪第三纪灭绝(Cretaceous-Paleogene extinction)做出了贡献。
该研究小组重点介绍了由于如此突然的灾难而破坏了地球碳循环的事件，并发现自1970年代以来人类释放到大气中的二氧化碳量大于过去这些事件所产生的碳排放量。研究组称，过去发生破坏碳循环事件时，所有特征现在都开始重现。地表温度上升，水学循环崩溃，海洋低氧和酸性化正在发生。人类可能已经进入了大规模灭绝的阶段。
二氧化碳能否成为“黄金”
地球上的碳99.8%存在于地下。地壳上90%以上的碳存在于深海和海洋沉积物中，大气仅含1.4%，多为气态二氧化碳。自然状态下地下碳排放的主要原因是火山。但据研究结果显示，人类活动排放的二氧化碳高达火山活动排放的40至100倍。
值得庆幸的是，在5亿年间，除了少数异常事件，一直维持着均衡的碳循环，并将排放到大气中的二氧化碳重新带回地下。其中，硅酸盐风化是将碳运回地下的最快方法。虽然生物的光合作用贡献度比这还低，但也有助于消除二氧化碳。
▲科学家们还在努力模仿生物的光合作用原理，清除二氧化碳
科学家们从中获得灵感，开发出了模仿树叶的“人造树叶”。该装置不仅能帮助消除大气中的二氧化碳，而且还能将清除的二氧化碳转化成有用的物质，是一项惊人的技术。韩国科学技术研究院(KIST)研制出了人工光合作用装置，可以利用阳光、二氧化碳和水制造作为化学产业原料的碳化物。2015年《材料化学杂志》(Journal of Materials Chemistry A)上被介绍为具有世界最高效率的人工光合作用装置。
该研究团队通过开发仅依靠太阳能运行的集成人工光合作用设备技术，并以4.23％的效率生产了一氧化碳（CO）。如果将人工光合作用的效率提高到10％并在100㎢的区域中每天运行6个小时，则理论上每年可以生产800万吨一氧化碳。考虑到每吨一氧化碳的价格超过1200元，感觉就像是一种炼金术，将铅变成了黄金，因为它创造了一种高附加值的化合物。
空气返土炼金术
动植物死后，其内部的有机碳被埋藏在地下，在碳的循环中起着重要的作用。而这些储藏的有机碳会在数以亿年的时间里持续受到压力和热量的照射，变成化石燃料。
但是，人类在工业化以后，通过开采利用地下的化石燃料，打破了碳的均衡。据说，化石燃料排放到大气中二氧化碳的速度，比从自然状态下将二氧化碳送回地下的速度快10倍以上。
为了解决大气中多余的二氧化碳，科学家们想出了把二氧化碳再送回地下的办法。这就是碳捕捉技术(CCS)。碳捕捉技术是指将大气中的二氧化碳收集后储存在地下的技术，部分国家正在利用这种方法。挪威从1996年到2014年，将约1500万吨的二氧化碳储藏在北海挪威海域。据说，美国也通过“伊利诺斯Decatur计划”，从2014年开始的4年时间里共储备了约100万吨二氧化碳。
碳捕集技术能否成功取决于安全、永久储存二氧化碳的能力。 对此，科学家们致力于将二氧化碳转化为岩石的技术。就像把空气变成泥土的炼金术一样。
将二氧化碳转化为岩石的矿物化作用是自然产生的。但这是一个非常缓慢的过程。对此，科学家们探索了人工提高这一速度，将二氧化碳转化为岩石的方案。
根据2016年《自然》刊登的研究，仅仅几个月时间就将二氧化碳就变成了坚硬的岩石。将植物产生的二氧化碳和硫化氢混入水中，注入火山性玄武岩，仅几个月就实现了矿物化。这是一项颠覆一般观点的研究，在地质学上，二氧化碳变成碳酸盐矿物，固定碳需要数百至数千年。现在已经找到了一种方法，使二氧化碳与人为排放的速度相匹配，从而更快地回到地下。
▲储存二氧化碳的岩石核心。玄武岩剖面上可以看到碳酸钙矿物化
另外，在2018年国际地球化学年会上，加拿大诺丁汉特伦特大学的伊安·鲍尔(Ian Power)教授研究组发现了利用菱镁矿收集二氧化碳的方法。菱镁矿的主要成分是碳酸镁(MgCO 3)，它是天然产生的，可以将大气中的二氧化碳减少一半，但缺点是该过程需要很长时间。但是研究小组发现，在室温下仅需72个小时即可自然生成的菱镁矿。
但是，将二氧化碳带回地面的技术受到碳捕获成本高昂的限制，科学家不确定这种方法最终可以推广到什么程度。最重要的是，技术只能人为地缩短自然发生过程。并不是把二氧化碳变成有用的物质，而是把二氧化碳变成石头，因此有些遗憾。
▲把二氧化碳锁在菱镁矿的技术
二氧化碳转化为有用物质
能不能在去除二氧化碳的同时把它变成有用的物质呢?
因此，最近进行的研究中，将二氧化碳转化为高附加价值物质的技术备受关注。
韩国科学技术院(KAIST)新材料工程系教授姜祯求的研究组开发出了一种催化剂，可将二氧化碳转化为“乙烯”，这是石化行业的关键原料。因此，乙烯的生产效率从目前的20%提高到80%。作为参考，乙烯可以加工成石油化合物，因此在石油化学工业中被认为是最基本的物质。
▲铜催化剂将二氧化碳转化为燃料的过程
据登载在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上的研究结果显示，研究组利用控制铜粒子内的“原子空隙”的技术，成功地将二氧化碳转化成比现有技术更有效的燃料。
通常，把二氧化碳转化成乙烯时使用铜催化剂，这种催化剂存在低效的缺点。但是研究组发现了铜原子之间不足1nm的窄间隙会对催化反应产生影响的事实，并根据这一原理设计出了新的结构的催化剂。这使得可以有效地将二氧化碳转化为乙烯。
▲一氧化碳分解过程产生的一氧化碳分子和氧原子，来源：IBS
另外，为了将二氧化碳转化为有用的物质，理解二氧化碳分解过程的化学机制也很重要。其理由是，二氧化碳在化学上非常稳定，因此要将其转换成有用的物质，就需要高能源。例如，在将二氧化碳分解为一氧化碳和氧气的初期过程中，需要达到数十个气压的高压反应。因此，要想将二氧化碳转化为有用的物质，就应该密切掌握二氧化碳的分解机制。但是到目前为止，只是提出了光谱分析等有限证据，并没有在原子水平上明确二氧化碳分解过程的化学机制。
但是，最近基础科学研究院(IBS)成功地观察到了二氧化碳分解的瞬间。研究团队发现，在实际的反应环境中，只有十亿分之一米的二氧化碳分子在铑（Rh）催化剂表面相互碰撞并分解为一氧化碳。这提供了可以将二氧化碳转化为有用物质的化学反应的直接证据。因此，这将有助于把二氧化碳转化成有用的物质的研究。
在《钢铁炼金术士》的炼金术中有一条非常重要的原则:
这就是“等价交换法则”。
用主角的话来说，“人如果没有某种牺牲，什么都得不到。 为了得到什么，必须付出同等的代价”。
这是漫画中关于等价交换的法则。
如今全球变暖带来的各种灾难也许是我们烧化石燃料带来繁荣的代价。
但人类可能已经拥有了被称为“基础科学”的贤者之石。
如果我们能熟练地使用，二氧化碳不也能变成贵重的金子吗?