焦阳的同事在实验中发现 ， 在分子识别这一步 ， 如果使用金属锌作为还原剂 ， 就能轻松实现 。 而一旦将锌换成铜 ， 虽然也能还原产生自由基 ， 但完全不会发生识别 。 大家认为 ， 这很可能是个催化过程 。 不过 ， 有人觉得金属表面有特别的效应 ， 自带催化属性；有人觉得金属锌的还原性更强 ， 将自由基“过度还原” ， 从而实现了某种催化 。
阶段二：细心求证 。
焦阳对这个奇特的现象很感兴趣 ， 决定仔细探索 。 一系列的控制实验做下来 ， 他发现“过度还原”假说很可能是对的 ， 但距离完全证明这一猜想还远远不够 。 为尽快得到确切答案 ， 他设计了如下对比实验：制备两份样品 ， 一份被“还原得恰到好处” ， 另一份则在此基础上 ， 轻微地过度还原 ， 通过比较这两份样品中分子识别的速率 ， 就可以判定“过度还原”是不是决定性因素 。
至此 ， 问题转化为：如何制备一份“还原得恰到好处”的样品？为此他尝试过多种方法 ， 最后发现只有在精确的工作电压下进行电解才能恰到好处地还原 ， 得到所需样品 。
筹备3个月后 ， 终于迎来了一次关键性实验 。 在新制备的样品中 ， 当两种自由基混合以后 ， 10个小时之内依然没有发生识别；然而 ， 如果向样品中加入4%的微量还原剂 ， 达到“过度还原”的效果 ， 分子识别就会迅速启动 ， 并在70分钟之内达到平衡态 ， 速率加快了640倍 。 而多加一点（8%）还原剂 ， 分子识别进行得更快 ， 不到10分钟就能完成 ， 速率加快了3200倍 。
图|筹备了3个月的关键实验 ， 让焦阳确认了神奇的催化现象（来源：Nature）
确认了催化现象以后 ， 他很快踏上阐释催化机理的征程 。 为了表征催化中间体 ， 焦阳将原本自动进行的催化过程拆解成多个步骤 ， 并借助光谱学手段成功观察到催化中间体的形成及其后续转化 。
仅有光谱证据还不够 ， 催化体系物种繁多、互相牵连 ， 想要将中间体分离出来 ， 获取更详细的结构信息 ， 非常困难 。 为解决该问题 ， 他设计并合成了一种与中间体核心单元类似的模型分子 ， 该分子是机械互锁结构 ， 能将复杂的超分子体系简化成结构明确的单分子体系 。
借此 ， 他测得了模型分子的光谱信号、电子顺磁共振信号以及单晶结构 。 这些数据充分说明了催化中间体的结构特征 ， 为催化机理提供了关键性证据 。 机理研究的另一项重要手段是量子力学计算 ， 为此焦阳和国际知名计算化学家、加州理工学院材料与工艺模拟中心的威廉·戈达德（WilliamA.Goddard）教授合作 ， 历时一年 ， 从理论层面确认了催化过程中活化能的显著降低 ， 并揭示了两条共存的催化路径 ， 从而为机理的准确性再加一层保险 。
图|历时一年的实验和理论研究 ， 确保了机理的准确性（来源：Nature）
阶段三：提炼升华 。
对于任意一个催化过程 ， 首要的问题是：催化剂是什么？这让焦阳联想到2014年NatureChemistry上的一篇综述文章 ， 标题为《电子是一个催化剂》（Theelectronisacatalyst） 。 没错 ， 真正的催化剂不是某种特定的分子 ， 而是电子 。 事实上 ， “电子催化”的思想在合成化学中早已被广泛应用 ， 但从未有人设想过电子也可作为分子识别和自组装过程的催化剂 。 基于此 ， 论文的主旨和题目得以确定：电子催化的分子识别 。
不过 ， 科学界常常有这样的声音：“没人做过的事情 ， 并不意味着重要 。 ”于是焦阳进一步拷问自己 ， 电子催化有什么独特的优势吗？他的总结是：内核越简单 ， 外延越广阔 。
一种催化模式想要获得广泛的使用 ， 其基本要素一定要足够简洁 ， 原理也要清晰明确 。 电子催化恰恰是这样一种简单、通用的方法 。 尽管本文中只展现了一个例子 ， 但运用类似原理可以很容易设计出更多的“电子催化自组装”体系 。
此外 ， 电子是无处不在的 ， 向体系中引入电子的操作 ， 不仅可用化学试剂来完成 ， 还可借助通电、光照或施加机械力等多种不同渠道来实现 。 这些与外界刺激的互动能力 ， 都是构筑智能新材料的契机 。
图|从电子催化的化学反应到电子催化的分子识别（来源：Nature）
根据现有体系的特点 ， 焦阳在论文中重点展示了两项电子催化的优势：其一 ， 只要还原电位适合 ， 理论上任何化学还原剂都能承担电子催化的引发任务 。 他检验了10种试剂 ， 其中包括活泼金属、金属配合物、有机小分子等 ， 发现它们都能启动分子识别 ， 而且加速效果几乎相同 。 以往的催化组装手段 ， 非常依赖催化剂的具体结构 ， 而电子催化一定程度上减轻了这种“结构依赖” ， 从而提高了方法的实用性和兼容性 。
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