IUPAC发布2022年“化学领域十大新兴技术”

2019年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）推出了“化学领域十大新兴技术（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”项目，以纪念IUPAC成立100周年暨门捷列夫元素周期表首次出版150周年。今年已是该榜单的第四届（第一届、第二届、第三届）。所谓新兴技术，IUPAC认为就是那些介于实验性发现和完全商业化之间的变革性创新技术，在化学、可持续发展等领域具有创造新机会的巨大潜力。该项目旨在展示化学的变革性价值，并让公众了解化学科学在促进社会福祉和地球可持续发展方面的潜力。担任“评审”的是一个由多位专业背景不同的著名科学家组成的小组，他们负责审议和讨论全球各地研究人员提交的各种提名，并选出了最终的十大新兴技术。

按英文首字母排序，2022年IUPAC“化学领域十大新兴技术”包括：^[1-2]

• 气凝胶

• 纤维电池

• 薄膜基荧光传感器

• 液态太阳能燃料合成

• 大型纳米粒子库

• 纳米酶

• 球形核酸疫苗

• 钠离子电池

• 织物显示器

• VR支持的交互式建模

2022年IUPAC“化学领域十大新兴技术”。图片来源：IUPAC ^[1]

气凝胶——不只是最轻的隔热材料

低密度和多孔的气凝胶具有很好的隔热性能，因此在航空航天技术中有许多应用。美国宇航局已经在火星探测车和其他航天器上测试了一些作为隔热材料的气凝胶。此外，气凝胶还有更多的实际应用场景，其中许多与可持续发展目标相一致，包括高效催化剂、超级电容器、药物输送系统和水净化。特别值得关注的是，气凝胶可用于去除污染物，如空气中的挥发性有机化合物（VOC）、温室气体（如二氧化碳）以及水中的有毒物质（重金属离子、石油泄漏等），以净化空气及水源。通过不同的工艺，化学家们可以调整气凝胶的表面以改变其吸附能力，调整其选择性，并已经在生物医学技术和传感领域实现了突破性的应用。气凝胶可由葡萄糖、纤维素、石墨烯和其他环保材料制成，已被用于改善电池、超级电容器甚至柔性电子产品的性能。但也许最有趣的应用还是来自气凝胶的热性质，不同的研究已经证明了气凝胶可以提高太阳能热电厂（收集太阳热能产生蒸汽，推动涡轮机并产生电力）的效率。也就是说，气凝胶也可为对抗持续的能源危机提供帮助。

气凝胶材料。图片来源：NASA

纤维电池——新储能形式，可穿戴设备的福音

纤维电池的结构与传统电池完全不同。传统电池通常都包括堆叠的电极和其他组件；而纤维电池几乎是一维的，电极是缠绕在一起的电线，聚合物涂层既能提供保护，还将电解质密封在电池内。纤维电池具有一系列优势，柔性、结实、安全，此外编织纤维还可制成电池“织物”，可以适应许多不同的形状和应用。一些研究表明，电池织物柔软透气，非常适合应用于可穿戴电子产品。它们似乎也能承受多次洗涤而不损失能量密度。最近，研究人员开发了基于锂离子技术生产高性能编织纤维电池的新方法，能量密度是第一代纤维电池原型的80倍，在500次充电循环后仍能保持90%的容量，这与大多数商用电池相当。三星（Samsung）和华为（Huawei）等公司正在研究纤维电池的潜力，相关市场预计将随着可穿戴设备和印刷电子产品等市场的增长而增长。

纤维电池及电池织物。图片来源：Pure Appl. Chem. ^[3]

薄膜基荧光传感器——可调、多功能、小型化

在薄膜基荧光传感器中，荧光分子被固定在合适的表面上形成2D或3D薄膜，响应外部刺激。薄膜基荧光传感器尺寸可小于一厘米，其他优点还包括功率效率高和易于操作。在过去的几年里，研究人员开发了不同的薄膜基荧光传感器以检测不同的物质，比如气体污染物如氨、氮氧化物和VOC，以及更复杂的化学物质如杀虫剂、神经毒剂和爆炸物。最近，研究人员已经证明了薄膜基荧光传感器检测病原体的潜力，特别是食物中毒背后的常见致命细菌——单核增生李斯特菌。所有这些，再加上最近紫外线激光技术的进步，可能会催生小型化污染检测设备和生物医学设备。尽管薄膜基荧光传感器在实验室表现抢眼，但仍有待商业化。要将它们应用到现实生活中的设备中，还需要其他领域的发展。也许现代制造业的进步将弥合学术界和工业界之间的鸿沟。

薄膜基荧光传感器检测病菌。图片来源：Aggregate ^[4]

液态太阳能燃料合成——“瓶装可再生能源”和更环保的化学品

化学家通过“人工光合作用”利用太阳能生产出可作为燃料的富能物质，通常是碳基分子例如醇和低分子量烃类，以取代无处不在的石油衍生燃料。这些物质被称为太阳能燃料，当然，有些科学家将氢、氨和肼等也包含进来，只要制造过程中使用的主要能源是太阳能。太阳能燃料为储存间歇性的太阳能提供了新的机会，这就是为什么一些专家称这种燃料为“瓶装可再生能源（bottle renewables）”。如今，试验性太阳能燃料工厂已经开始在世界各地出现，研究人员也在专注于解决一些未来可能出现的障碍，例如铜催化剂在合成长链烃类所面临的挑战。光催化也是备受关注的方法，许多人认为光催化是将太阳能转化为燃料的理想方法。一些解决方案将人造催化剂与天然结构（如酶甚至细菌）结合起来生产化学品，如乙酸。还有一些方法直接组合光收集技术与电解槽，以最大限度地减少损失。随着技术的进步，未来的化学工业有可能在不需要石油和天然气的情况下生产商业化学品。

大型纳米粒子库——纳米世界迎来高通量合成和筛选

大型纳米粒子库，可以看作成分和结构各异的数百万纳米粒子形成的阵列，构建策略通常是一种被称为聚合物笔光刻（polymer pen lithography）的纳米粒子沉积技术。不同的金属盐被溶解到聚合墨水中，然后用成千上万个微小的软笔尖沉积在表面上，加热去除聚合物并还原盐，得到可催化反应的金属纳米粒子阵列。换句话说，这相当于在一张普通的载玻片上制造数百万个微反应器。虽然这项技术很新，但研究人员已经有了一些有趣的发现。例如，在2018年，大型纳米粒子库被用于筛选制备单壁碳纳米管的潜在催化剂。研究人员从数十万种不同金和铜比例的纳米粒子中，筛选出了此前从未发现过的理想催化剂——Au₃Cu。此外，大型纳米粒子库也可能会帮助“材料基因组”领域的发现。由于大型纳米粒子库产生了巨量的数据，研究人员已经开始使用机器学习算法来加速分析，人工智能的加入可帮助科学家更快地在纳米世界发现新的材料。

大型纳米粒子库。图片来源：Chem. Int. ^[2]

纳米酶——结合自然和人工催化的力量

纳米酶指的是具有天然酶性质的纳米材料。与自然酶只在特定的温度和pH值范围内工作不同，按需设计的纳米酶在稳定性、可回收性和成本方面具有优势。近年来，化学家们将各种各样的分子附着在纳米酶上，以改变其传统催化能力之外的性质，在多个领域表现出了应用潜能，比如生物分析、诊断、治疗、传感、水处理等。纳米酶领域最具吸引力的方向之一是开发新型即时诊断技术，实现低成本、高灵敏度、高特异性、用户友好、快速、无需复杂设备的诊断。纳米酶可以为许多不同的测试技术提供支持，包括电化学、荧光、比色和免疫分析。此外，纳米酶已经显示出良好的生物相容性，这对于医疗健康领域的应用（包括生物成像和病原体检测）十分重要。在治疗方面，纳米酶也有不错的前景，研究者使用纳米酶催化消除与衰老、炎症、神经退行性疾病和癌症有关的活性氧和氮物种。除了生物医学，纳米酶已经成为水处理和去除污染中的先进解决方案，比如铁基纳米酶，在净化被污染的介质后，用磁铁即可很容易地回收，便于后续的处理和再利用。通过解决天然酶和人工酶的一些问题，并提供一些有前途的新功能，纳米酶可能很快成为许多不同应用领域的宠儿。

纳米酶。图片来源：Chem. Int. ^[2]

球形核酸疫苗——重塑疫苗技术

COVID-19大流行凸显了疫苗的重要性。本次入选的疫苗学创新技术——球形核酸（spherical nucleic acid, SNA），包含纳米结构核心及连接到核心上的核酸链。纳米结构核心种类多样，包括金、二氧化硅、聚合物、蛋白质、胶束、MOF等等。SNA的化学和生物学性质不同于线性核酸，即便它们拥有相同的核苷酸序列。初步研究表明，以前在临床试验中失败的治疗性抗原和佐剂，如果用于SNA治疗则会显示出更高的活性。SNA疫苗已被证明可以有效预防传染性病原体，如当前仍在肆虐的新冠病毒。值得注意的是，SNA疫苗可在室温下保持稳定，这有助于偏远地区获得疫苗。SNA在癌症免疫治疗方面也显示出不错的前景，特别是针对黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一项研究中，SNA疫苗治疗成功地消除了30%小鼠的肿瘤，这推动了向人类临床试验的过渡。事实上，目前有6项与SNA相关的人体临床试验正在进行，多家生物技术公司正在寻求SNA疗法的上市批准。总之，SNA很可能会改变我们未来应对疾病的方式。

不同的球形核酸结构。图片来源：Mirkin Research Group ^[5]

钠离子电池——来源更丰富、成本更低的电池

毫无疑问，我们需要更好更便宜的电池。如果没有廉价的能源储存方案，太阳能和风能等可再生能源将永远不会成为主流。相比于当前占市场主导地位的锂离子电池，钠离子电池虽然在能量密度等方面仍然存在不足，但在可持续性和循环经济方面却更占优——钠元素地球储量丰富，电池正极可用铁和锰化合物，不依赖稀缺的含钴矿物。钠离子电池还更加安全，从而降低了运输和储存的成本和风险。计算化学为设计更高效的钠离子电池提供了新的方法，有助于设计新的电极和电解质混合物，并有助于更好地理解材料行为和预测性能。钠离子电池已经引起了工业界的兴趣。事实上，世界上最大的锂离子电池制造商——宁德时代最近推出了他们的第一代钠基商用电池，并致力于钠锂混合解决方案，以彻底改变电动汽车行业。与之同时，其他公司也在纷纷跟进。毫无疑问，钠离子是高效能源储存的另一种选择。

织物显示器——用于柔性屏幕的纤维基发光二极管

传统上，可穿戴设备依赖于贴在织物表面的薄膜显示器。织物显示器则完全不同，实际上，它与前面提到的纤维电池更相似。研究人员直接开发出能够发光的纤维，然后将它们缠绕在一起，形成柔性织物作为显示器。科学家研究了许多不同的材料来制造织物显示器，例如，将有机发光二极管（OLED）改造成同轴纤维。其他方法包括使用发光电化学池或将粉末状发光材料（通常是硫化物盐）分散进纤维中，前者实现了颜色可调，而后者尽管亮度较低，但从生产角度来看具有优势，因为制造过程可用传统的编织工艺，从而实现了米级的纤维和高表面显示器。虽然织物显示器的应用主要集中在可穿戴设备上，但大屏幕可能会在未来的家庭及商业应用中找到空间。最近，工程师们演示了一种46英寸智能织物显示器，在超大尺寸之外还带了更多可能性，例如，它很容易与触摸传感器和无线功率发射器相结合，这为交互提供了新思路。

织物显示器。图片来源：Chem. Int. ^[2]

支持VR的交互式建模——计算化学在元宇宙中连接

“元宇宙”概念越来越热，今年的IUPAC“十大新兴技术”也涉及了虚拟现实（VR）领域。通过虚拟空间，研究人员探索交互式合作，给计算化学和分子动力学研究带来更多可能性。VR平台不再通过键盘和鼠标与计算机交互，而是允许研究人员进入一个充满巨大分子的想象房间，并通过手中的同步无线控制器“触摸”它们，移动原子，引入修饰和功能基团，而所有这些所涉及的都是由外部计算机实时模拟和渲染的虚拟分子。这一策略并非幻想，而是已经在现实生活中产生了效果。研究人员已经使用类似的策略设计了针对新冠病毒主要靶点之一Mpro的蛋白酶抑制剂，使用的是开源框架Narupa ^[6]。VR建模也为化学教育打开了新的大门，学生们在使用这些VR增强工具时的反馈要比传统技术积极得多，尤其是一个名为Manta的程序。同样，VR技术在化学企业的远程协作和跨国协作方面也拥有光明的前景。VR技术在化学科学中常常被忽视，但它很有可能成为所有实验室的基本工具。

VR用于化学研究。图片来源：Chem. Int. ^[2]

以上就是IUPAC发布的2022年“化学领域十大新兴技术”。您心目中的榜单又是什么呢？

参考资料：

1. IUPAC ANNOUNCES THE 2022 TOP TEN EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY

https://iupac.org/iupac-2022-top-ten/

2. IUPAC Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022. Chem. Int., 2022, 44, 4-13. DOI: 10.1515/ci-2022-0402

https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ci-2022-0402/html 

3. High-performance fiber-shaped lithium-ion batteries. Pure Appl. Chem., 2019, 92, 767. DOI: 10.1515/pac-2019-1003

4. A fluorescent film sensor for high-performance detection of Listeria monocytogenes via vapor sampling. Aggregate, 2022, DOI: 10.1002/agt2.203

5. Nanomedicine - Structure and Properties of SNA

https://mirkin-group.northwestern.edu/project/spherical-nucleic-acids/ 

6. Interactive Molecular Dynamics in Virtual Reality Is an Effective Tool for Flexible Substrate and Inhibitor Docking to the SARS-CoV-2 Main Protease. J. Chem. Inf. Model., 2020, 60, 5803–5814. DOI: 10.1021/acs.jcim.0c01030