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IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

從2019年國際純粹與應用化學聯(lián)合會IUPAC)推出了“化學領域十大新興技術(shù)(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry)”榜單至今,五年已經(jīng)過去(點擊回顧:2019年榜單、2020年榜單、2021年榜單、2022年榜單)。今年的評選強調(diào)化學與其他科學領域之間的合作——化學不僅僅是一門“中心科學”,它還是一門“連接科學”。這種交叉合作誕生了引人關注的新興技術(shù),涵蓋了從合成和聚合物化學到健康和人工智能的一系列領域,有望連接學術(shù)界和工業(yè)界,促進可持續(xù)發(fā)展,為當前世界所面臨的多重危機提供合適的解決方案。

以下是今年的“化學領域十大新興技術(shù)”[1-3]:

  • 可穿戴傳感器
  • 光催化產(chǎn)氫
  • 氯化物介導的海洋CO2去除
  • 化學中的GPT語言模型
  • 合成電化學
  • 人造肌肉
  • 噬菌體療法
  • PET的生物回收
  • 解聚
  • 低糖疫苗接種

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

可穿戴傳感器

近年的新冠大流行加速了可穿戴傳感器(比如銷售火爆的便攜式血氧儀)的應用。除了監(jiān)控健康和睡眠質(zhì)量,可穿戴傳感器還可實時提供與身體狀態(tài)相關的生理、生化和物化數(shù)據(jù)。它們可以檢測各種生物標志物,讓佩戴者可以更自由地了解各種健康指標,協(xié)助疾病的診斷和治療。光譜方法,如熒光、拉曼、阻抗和超聲波,被用于可穿戴傳感器,為測量方法增加了新的可能。此外,微針等創(chuàng)新也帶來了檢測生物標志物和直接按需給藥的機會。所有這些發(fā)展,再加上大數(shù)據(jù)和人工智能,為傳統(tǒng)臨床檢測提供了一種低成本、非侵入性的替代方案,有希望徹底改變醫(yī)療健康領域。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

一種便攜式汗液分析裝置。圖片來源:Nature, 2016, 529, 509

光催化產(chǎn)氫

氫能本身無疑是清潔能源,但當今市場99%的氫仍然來自化石燃料。光催化分解水生產(chǎn)“綠氫”可能會改變可再生能源和燃料生產(chǎn)的游戲規(guī)則,在運輸、工業(yè)和能源儲存方面有潛在的應用。要看到,研究人員仍在解決與反應效率相關的挑戰(zhàn),但規(guī)?;a(chǎn)還是有希望實現(xiàn)的,規(guī)模達100平方米的太陽光催化分解水制氫試驗性裝置已經(jīng)在運行中(Nature, 2021, 598, 304,點擊閱讀詳細)。此外,化學家和生物學家之間的合作也帶來了鼓舞人心的進展,他們利用酶和生物過程從可再生資源中產(chǎn)生清潔的氫。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

100平方米的光催化水裂解反應器單元及陣列。圖片來源:Nature, 2021, 598, 304

氯化物介導的海洋CO2去除

多年來,海洋一直是地球氣候危機的關鍵“緩沖帶”,吸收了很大一部分碳排放和多余的熱。然而,海洋的緩沖能力也并非無限,過量的二氧化碳正在酸化海水,損害海洋生態(tài)系統(tǒng)。幸運的是,化學家們已經(jīng)提出了一項新的技術(shù),通過電化學方法使用氯化物循環(huán)從海水中去除多余的二氧化碳,無需昂貴設備,易于規(guī)?;?/span>Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030)。初步研究表明,這種具有成本效益的除碳過程中,每噸二氧化碳的成本僅為56美元。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

氯化物介導的電化學方法除去海水中CO2。圖片來源:Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030

化學中的GPT語言模型

ChatGPT這樣的人工智能大語言模型可以徹底改變當前的化學研究和教育,其應用包括蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測、反應產(chǎn)量預測、路線設計,甚至機器人反應器和分析的自動化。當然,這些大語言模型也帶來了不少問題,比如偽造研究論文和同行評議。盡管如此,ChatGPT模型在教育、文獻審閱和信息檢索方面具有很大的應用潛力,可以為研究者騰出時間進行更具創(chuàng)造性和建設性的工作。

合成電化學

目前的化學工業(yè)中,電化學正在慢慢地重獲關注。改進的電化學工藝帶來了更高的效率,以及化學轉(zhuǎn)化中更優(yōu)的化學和區(qū)域選擇性。合成電化學最近在選擇性還原反應、醚的合成、Birch反應、碳氫鍵的氧化和氟化以及許多其他反應中取得了不錯的進展。此外,創(chuàng)新的實驗設備提高了電合成的效率,簡化了操作,使得其他非電化學專業(yè)的實驗室也能更容易地進行電合成。該領域與綠色化學密切相關,具有高安全性、高可靠性和低能耗等關鍵優(yōu)勢,許多化工企業(yè)都在采用可持續(xù)的電合成工藝來降低成本和減少碳排放。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

合成電化學。圖片來源:Acc. Chem. Res., 2020, 53, 72

人造肌肉

人造肌肉這一概念最早可以追溯到幾個世紀前Robert Hooke(就是提出胡克定律、發(fā)明顯微鏡的那位英國科學家)所提出的原始想法。近年來,人造肌肉獲得了巨大的發(fā)展,成為化學和材料科學的前沿,對機器人、假肢和醫(yī)療健康領域意義重大。這些人造纖維基于聚合物(電響應彈性體)以及液晶,模仿肌肉中的肌球蛋白和肌動蛋白,能實現(xiàn)致動和運動等功能。人造肌肉應用范圍廣泛,從下一代機器人到精準生物醫(yī)學設備,可在總體上提高患者的生活水平,并且在醫(yī)療健康領域以外也表現(xiàn)出巨大的應用潛力。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

類似人類肌肉的人造肌纖維。圖片來源:Nat. Nanotechnol., 2022, 17, 1198

噬菌體療法

上個世紀,科學家就曾設想使用噬菌體對抗細菌感染,甚至在某些情況下對抗其他疾病。近年來,人們對將噬菌體用于疾病治療重燃興趣,也在多個領域做出了成績。例如,化學已經(jīng)成為增強噬菌體活性的關鍵,利用諸如封裝之類的技術(shù)來增加其穩(wěn)定性、可用性和藥物傳遞的靶向性。此外,噬菌體還在納米醫(yī)學、蛋白質(zhì)組學超分子化學和材料科學方面帶來了不少新的發(fā)現(xiàn)。

PET的生物回收

塑料污染,是當今世界所面臨的最大問題之一。全球只有9%的塑料產(chǎn)品被妥善處理和回收?;瘜W可以幫助解決這個問題,這要歸功于各種塑料降解酶的發(fā)現(xiàn)。例如,法國的科學家重新設計了角質(zhì)酶LCC,基因改造后的酶不但可以高效降解聚對苯二甲酸乙二酯(PET),而且降解產(chǎn)物可以重新作為合成PET的原料,實現(xiàn)了完美的循環(huán)再利用(Nature, 2020, 580, 216, 點擊閱讀詳細)。值得一提的是,這些科學家并未止步于實驗室研究,而是創(chuàng)立公司并商業(yè)化這種新技術(shù)。他們正在考慮在2025年之前建立一個每年可回收5萬噸PET(相當于20億個飲料瓶)的工廠。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

圖片來源:Carbios公司

解聚

這是今年針對塑料污染問題的第二項新興技術(shù)。解聚為各種化學回收和升級回收工藝打開了大門,幫助人們重新利用各種聚合物,包括PET、聚丙烯(PP)、聚酰胺聚氨酯。相關創(chuàng)新技術(shù)包括合理設計聚合物以及回收反應,以再利用單體和塑料廢物,并將其轉(zhuǎn)化為有價值的資源?;瘜W回收和升級回收過程可為循環(huán)經(jīng)濟鋪平道路,合理設計和減少添加劑使用可確保新生產(chǎn)的聚合物和塑料的安全性,并符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

低糖疫苗

了解聚糖和“糖組(glycome)”對于開發(fā)疫苗、治療疾病和推進生物醫(yī)學研究至關重要。“低糖”疫苗是一種目前尚處于研發(fā)早期的創(chuàng)新性技術(shù),有望增強免疫反應,徹底改變我們與病毒之間的斗爭形勢。值得一提的是,減少病毒蛋白的糖衣可暴露相關區(qū)域并引發(fā)更強的免疫反應,在體外研究中已經(jīng)顯示出非凡的應用前景。使用這種方法,我們可以制造出更強大、更有效的針對SARS-CoV-2、HIV和其他病毒的疫苗。一些生物技術(shù)公司和制藥公司正在考慮進行體內(nèi)和臨床研究,以促進其商業(yè)化。

IUPAC發(fā)布2023年“化學領域十大新興技術(shù)”(2020年度化學十大新興技術(shù))

參考資料:

1. IUPAC ANNOUNCES THE 2023 TOP TEN EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY

https://iupac.org/iupac-2023-top-ten/

2. IUPAC’s 2023 Top Ten Emerging Technologies in Chemistry. Chem. Int., 2023, 45, 14-22. DOI: 10.1515/ci-2023-0403

https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ci-2023-0403/html

3. IUPAC’S TOP 10 EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY

https://blog.degruyter.com/iupacs-top-10-emerging-technologies-in-chemistry/

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