IUPAC 2024 “化学领域十大新兴技术”

近日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）发布了2024年“化学领域十大新兴技术（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”。自2019年，IUPAC发布首批榜单至今，已经是第六个年头了（点击回顾：2019年榜单、2020年榜单、2021年榜单、2022年榜单、2023年榜单）。今年的评选，旨在深入探索新材料、未解的物理现象以及应对全球挑战的创新方案，包括流行病和持续的能源与燃料危机，揭示出具有真正潜力的、能够改变世界的化学技术。

以下是今年的“化学领域十大新兴技术” ^{[1, 2]}：

• 主动吸附（Active Adsorption）

• 适配体（Aptamers）

• 仿生纳米流体离子电子学（Bioinspired Nanofluidic Iontronics）

• 电化学氮循环（Electrochemical Nitrogen Cycle）

• 受阻路易斯酸碱对（Frustrated Lewis Pairs）

• 水合润滑（Hydration Lubrication）

• KRAS抑制剂（KRAS Inhibitors）

• 二维过渡金属碳氮化合物（MXenes）

• 神经网络势模型（Neural Network Potentials）

• 摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators）

不知道今年公布的领域里，有没有你的研究方向呢？

主动吸附

近百年前，Irving Langmuir和John Lennard-Jones提出了吸附理论，将其分为物理吸附（由范德华力驱动）和化学吸附（由电子作用驱动），认为吸附是一种从高浓度向低浓度迁移的“被动”过程，以维持平衡。然而，2021年的一项研究打破了这一传统认识，提出了“主动吸附”的概念 ^[3]。这一过程通过诺贝尔奖得主J. Fraser Stoddart教授开发的分子机器实现（点击阅读详细），可以在外部能量的推动下，逆着平衡“抓取”并移动分子。这种被称为“机械吸附”的技术利用氧化还原反应，实现了分子在金属有机框架表面上的吸附与脱附。尽管目前只是概念验证，机械吸附已被用于自组装材料和超分子结构的开发。由于其逆平衡特性，主动吸附将在催化、气体捕集、水净化和药物传递等领域带来创新，具有颠覆性潜力。

三种吸附类型示意图。图片来源：Science

适配体

适配体于上世纪八十年代被发现，指能够与其他分子特异性结合的短链单链核酸（DNA或RNA）。由于单链核酸具有独特的形状和适应性，适配体能够变换多种形态，结合不同的目标分子，如蛋白质、肽类、糖类和毒素等。因此，其应用涵盖了分析系统、分子成像、药物递送和靶向治疗等领域，具有引发免疫反应较低和实现多种分子实时监测等优势。目前，已有两种适配体获得美国FDA批准作为治疗药物，更多适配体正在进行临床试验，包括癌症、心血管疾病、神经退行性疾病和病毒感染等疾病，提供更安全、更健康的治疗方案。

用于治疗的适配体架构。图片来源：Nat. Rev. Drug. Discov. ^[4]

仿生纳米流体离子电子学

2021年，科学家提出了仿生纳米流体离子电子学的概念。这项技术基于化学原理，通过模拟神经突触机制，利用离子传递信息，实现类似忆阻器或记忆晶体管的功能。该技术已经成功应用于信号处理和传输，并证明了其良好的生物兼容性，预示着它能够在生物系统与人工系统之间高效传递信号。纳米流体离子电子学在神经形态计算和生物医学设备领域展现出巨大的潜力，在基于化学的计算系统、高灵敏度分析、能量收集与储存等领域具有广阔的应用前景。

基于离子忆阻器构建人工神经元。图片来源：Science ^[5]

电化学氮循环

“可持续合成氨”曾入选2021年 “十大技术”榜单，作为能耗巨大的哈伯-博施法合成氨的替代方案。然而，氨的合成只是氮循环问题的一部分，其他反应，如氨氧化生成硝酸盐、硝酸盐还原为氮气，仍面临许多挑战。近年来研究表明，铜等金属催化剂能有效将硝酸盐还原为氨，其他金属如锌、镍和铁也在这一过程中也表现出活性。基于钌、钛、锌、铁和钴的电催化剂在氮气氧化生成硝酸反应中已展示出良好的催化性能。此外，氨气在铂、钯和铱等贵金属催化下，可以直接作为燃料电池的能量来源，转化为氢气和无害的氮气。总体来看，电化学氮循环可能为化学工业带来重大变革，寻找更清洁、高效的催化剂是这一领域的核心挑战。

氮循环示意图。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. ^[6]

受阻路易斯酸碱对

2006年，受阻路易斯酸碱对推翻了一个百年化学“信条”——过渡金属并非唯一能够活化和分解氢的元素。研究者使用轻元素，如磷和硼，在温和的条件下就能催化析氢反应。路易斯酸碱对因为立体位阻或电子障碍，“受阻”形成经典配合物，从而将活性位点暴露。这种独特的反应性使其在有机合成化学、药物功能化、氟-18成像剂合成等领域具有广泛应用。尽管这类化合物对空气和湿度敏感，离商业应用仍有距离，但已有研究显示，如果将其修饰在金属有机框架（MOF）内，可提高稳定性，实现多次催化且活性不减。

受阻路易斯酸碱对在甲苯溶液中的相互转化。图片来源：Science ^[7]

水合润滑

水合润滑是一种具有矛盾性的特有现象，在某些条件下，表面通过静电作用紧密结合，但在剪切作用下又可以迅速松弛，从而提供卓越的流动性和高效的润滑效果。这种现象常见于生物系统，如润滑关节的滑液、脂质体等。世界卫生组织报告，全球约有五亿人受到关节炎的困扰，尤其是髋关节和膝关节，承受巨大的压力。不过，水合水凝胶在润滑中的应用，可能有助于揭示生物润滑剂的实际作用原理。一些初创公司正在从事相关技术的研究，主要集中在脂质体润滑，已显示出与健康软骨相似的效果，已进入临床试验阶段。

水合润滑示意图。图片来源：Acc. Mater. Res.^[8]

KRAS抑制剂

根据世界卫生组织的统计，癌症是全球第二大致死原因，而KRAS是最常见的致癌基因。然而，长期以来阻断KRAS的药物开发屡遭失败。直到2013年，研究人员首次发现了一类分子，能够选择性地与KRAS相关蛋白中的突变半胱氨酸残基结合。在化学家、生物学家和医学专家的共同努力下，这类分子的作用机制逐渐被揭示。2016年，首批成功的抑制剂问世，并在临床试验中显示出积极效果，Lumakras^®于2021年成为首个获得临床批准的KRAS抑制剂。这类小分子药物有望帮助癌症患者延长寿命、改善生活质量。

KRAS抑制剂。图片来源：Nat. Cancer ^[9]

MXenes

2004年，石墨烯成功被剥离，推动了二维材料领域的发展。在这个浪潮中，2011年首次报道的MXenes——一种层状的过渡金属碳氮化合物是当之无愧的明星。十年来，MXenes在能量存储、电子学和气体吸附等领域展现出广泛应用，吸引了英特尔、三星等半导体和电子行业巨头的关注。与石墨烯不同，MXenes薄膜和柔性器件能够保持片层的独特优异性质。同时，MXenes在固态电池和超级电容器中表现出更高性能，有望为能源危机和可再生资源问题提供解决方案。

MXenes的结构与特性。图片来源：Nat. Rev. Chem.^[10]

神经网络势模型

近年来，机器学习和人工智能彻底改变了化学和材料科学领域，今年的诺贝尔奖似乎也印证了这一趋势。神经网络通过从薛定谔方程解等数据集中学习，成功展示了多项计算化学应用，显著简化并加速了复杂且耗时的实验过程。包括Google DeepMind在内的多家科技公司都已投身神经网络研究，并将其应用于材料科学、生物学、地球科学等领域。神经网络专家Paul Dirac曾经的梦想——用量子力学统一物理与化学，或许将在未来得以实现。

神经网络势模型。图片来源：ACS Phys. Chem Au ^[11]

摩擦电纳米发电机

摩擦起电是一种早在数千年前就被人们发现的自然现象。摩擦电纳米发电机，利用摩擦电效应将机械能转化为电能，能够从微小的运动和振动中产生电能。过去十几年中，摩擦电纳米发电机从最初的概念逐步发展到可验证的原型，再到多种商业化技术，应用于传感器、可穿戴设备和医疗保健等领域。特别是在传感应用中，它可以通过微小振动实现自充电，具有极高的灵敏度，能够检测生命体征和病原体等。

摩擦电纳米发电机的物理基础。图片来源：Nat. Rev. Methods Primers ^[12]

参考文献：

[1] IUPAC Announces the 2024 Top Ten Emerging Technologies in Chemistry

https://iupac.org/iupac-2024-top-ten-emerging-technologies/ 

[2] F. Gomollón-Bel, IUPAC’s 2024 Top Ten Emerging Technologies in Chemistry.  Chemistry International 2024, 46, 8-16. DOI: 10.1515/ci-2024-0403

[3] L. Feng, et al. Active mechanisorption driven by pumping cassettes. Science 2021, 374, 1215-1221. DOI: 10.1126/science.abk1391

[4] A. Keefe, et al. Aptamers as therapeutics. Nat. Rev. Drug. Discov. 2010, 9, 537-550. DOI: 10.1038/nrd3141

[5] P. Robin, et al. Modeling of emergent memory and voltage spiking in ionic transport through angstrom-scale slits. Science 2021, 373, 687-691. DOI: 10.1126/science.abf7923

[6] Y. Cao, et al. Recent Advances in Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia: Mechanism Insight and Catalyst Design. ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 11, 7965-7985. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c01084

[7] C. Gregory, et al. Reversible, Metal-Free Hydrogen Activation. Science 2006, 314, 1124-1126. DOI: 10.1126/science.113423

[8] W. Lin & J. Klein, Hydration Lubrication in Biomedical Applications: From Cartilage to Hydrogels. Acc. Mater. Res. 2022, 3, 213-223. DOI: 10.1021/accountsmr.1c00219

[9] R. Rosell, et al. KRAS inhibitors, approved. Nat. Cancer 2021, 2, 1254-1256. DOI: 10.1038/s43018-021-00289-3

[10] X. Li, et al. MXene chemistry, electrochemistry and energy storage applications. Nat. Rev. Chem. 2022, 6, 389-404. DO: 10.1038/s41570-022-00384-8

[11] T. T. Duignan, The Potential of Neural Network Potentials. ACS Phys. Chem Au 2024, 4, 232-241. DOI: 10.1021/acsphyschemau.4c00004

[12] T. Cheng, et al. Triboelectric nanogenerators. Nat. Rev. Methods Primers 2023, 3, 39. DOI: 10.1038/s43586-023-00220-3

（本文由小希供稿）