2023年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)公布
2023-12-08
11月24日，在第五屆世界科技與發(fā)展論壇上，中國化學(xué)會(huì )副理事長(cháng)、國際純粹與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )(IUPAC)執委會(huì )委員帥志剛正式發(fā)布了2023年度IUPAC化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)。 2023年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)分別為：人造肌肉、PET的生物回收、氯化物介導的海洋二氧化碳去除、解聚、化學(xué)中的GPT語(yǔ)言模型、“低糖”疫苗、噬菌體療法、光催化制氫、合成電化學(xué)和可穿戴傳感器技術(shù)。 IUPAC主席Javier García-Martínez教授指出：“解決清潔能源、充足食物和安全飲用水供應問(wèn)題是當前世界面臨的最緊迫問(wèn)題之一。為了應對這一挑戰，世界需要開(kāi)發(fā)能夠幫助我們實(shí)現2030年可持續發(fā)展目標的技術(shù)?；瘜W(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)旨在展示化學(xué)的變革價(jià)值，并向公眾介紹化學(xué)科學(xué)在增進(jìn)社會(huì )福祉和可持續發(fā)展方面的潛力?！?/span> 帥志剛表示，化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)每年全球性提名、評選一次。今年的評選特別推動(dòng)了跨學(xué)科合作，部分技術(shù)彌合了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界之間的差距，并持續增強化學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的競爭力。入選的技術(shù)都展示了科學(xué)家對未來(lái)可持續發(fā)展社會(huì )的構想和承諾。 “與此同時(shí)，我們也很高興看到不斷有中國化學(xué)家領(lǐng)銜的研究納入其中。今年入選的技術(shù)，如可穿戴傳感器技術(shù)、光催化制氫、噬菌體療法、PET的生物回收等，都有來(lái)自中國科研團隊的工作貢獻。希望化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)的遴選和發(fā)布能引起更加廣泛的來(lái)自中國科技界的關(guān)注、支持和參與?！睅浿緞側缡钦f(shuō)。 另?yè)榻B，2024年度IUPAC化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)正在全球范圍征集中，征集截止日期為2024年3月31日。征集的目的是在全世界范圍內遴選出具有巨大潛力的創(chuàng )新技術(shù)，以此來(lái)改變當前的全球化學(xué)與工業(yè)界格局，推動(dòng)實(shí)現聯(lián)合國可持續發(fā)展目標。遴選出的新興技術(shù)被期待更好地提升人類(lèi)生活和社會(huì )質(zhì)量，有助于更合理、更高效地利用和轉換資源，為新材料、電池、傳感器和醫學(xué)等諸多應用領(lǐng)域提供可持續發(fā)展的解決方案。（陳菲）2023年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)簡(jiǎn)介 在過(guò)去的幾年里，可穿戴設備經(jīng)歷了前所未有的崛起，徹底改變了我們與這一技術(shù)間的互動(dòng)方式。通常，可穿戴設備可以獲取健身數據、睡眠模式，并實(shí)現無(wú)縫通信和導航。
化學(xué)傳感為可穿戴技術(shù)增加了更多有價(jià)值的信息，實(shí)時(shí)監測化學(xué)與生物信號和物理刺激，具有高靈敏度，且成本低廉。結合大數據和機器學(xué)習，由可穿戴化學(xué)傳感器提供關(guān)鍵診療信息，已成為一種低成本、非侵入性的替代方案，用于傳統的臨床試驗。傳統的臨床試驗通常需要親自訪(fǎng)問(wèn)、活檢和采血。在多組學(xué)(基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué))時(shí)代，化學(xué)可能會(huì )帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。 據估計，清潔氫每年可以減少超過(guò)7億噸二氧化碳排放。然而，目前99%的氫仍來(lái)自化石燃料，因此我們需要可持續的解決方案。光催化制氫只需要可再生資源(太陽(yáng)光和水)，是一個(gè)極具吸引力的替代方案。 然而，這項技術(shù)處于早期階段，其效率還不夠高，但光催化制氫的最重要的優(yōu)勢是可擴展性，提供耐久性和實(shí)用性的安全系統。最近，研究人員展示了100平方米的光催化制氫裝置，與此同時(shí)，該領(lǐng)域發(fā)表論文和專(zhuān)利數量正在呈指數增長(cháng)，彰顯了其蓬勃發(fā)展的姿態(tài)。 海洋吸收了全球四分之一的碳排放，以及由溫室氣體產(chǎn)生的90%多余熱量，這使得海洋成為阻止氣候危機的一個(gè)巨大緩沖系統。然而，海洋的緩沖能力是有限的，不斷積累的過(guò)量二氧化碳正在使海水酸化并影響海洋生物的生存。但從另一角度出發(fā)，多余的二氧化碳也可以轉化為一種具有經(jīng)濟價(jià)值的碳資源。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，海水中二氧化碳的電化學(xué)捕集已成為二氧化碳凈負排放的一種有吸引力的替代方案，其中的一些嘗試(企業(yè))可以利用捕集的二氧化碳合成每年十億噸量級的合成燃料和化學(xué)原料。 目前，大多數電化學(xué)二氧化碳去除系統都依賴(lài)于雙極膜電滲析技術(shù)，但這項技術(shù)面臨兩個(gè)重要的挑戰：成本投入高;可能發(fā)生導致海洋進(jìn)一步污染的泄漏。最近，一種新的想法完全繞過(guò)了膜，為海洋碳去除提供一種潛在的高效價(jià)廉機制。這種替代方案只需要兩個(gè)鉍基電極、泵和氣體分離系統即可實(shí)現，該方法捕集的二氧化碳成本僅為56美元/噸，既經(jīng)濟實(shí)惠又易于工程放大。盡管這一新興技術(shù)尚處于研發(fā)初期，但它的出現無(wú)疑將為減少和逆轉海洋酸化提供富有希望的方案。 近年來(lái)。，AI模型和應用取得了顯著(zhù)進(jìn)展，特別是得益于更好的大型語(yǔ)言模型大型語(yǔ)言模型(Large Language Models，簡(jiǎn)稱(chēng)LLMs)的發(fā)布，例如旨在同時(shí)理解和生成對話(huà)OpenAI的ChatGPT。經(jīng)過(guò)大量數據的細致訓練之后，AI 模型學(xué)習了語(yǔ)言中的模式、語(yǔ)法和語(yǔ)義，并理解輸入和推理響應(包括翻譯、摘要等)。LLMs 的流行同樣激發(fā)了科學(xué)界的興趣和關(guān)注。 目前，語(yǔ)言模型已經(jīng)成功地用于化學(xué)應用。ChatGPT和其他算法分析顯微鏡圖像、預測蛋白質(zhì)結構，直至估計反應產(chǎn)率——可能性是無(wú)窮的。一種名為“ChemCrow”的新穎工具充分利用了LLMs，可以完成包括規劃合成路線(xiàn)、控制機器人反應平臺、自動(dòng)化分析等任務(wù)。此外，最新的更新包括多項安全檢查，以避免意外制備潛在有害產(chǎn)品，例如爆炸物、化學(xué)武器和受控物質(zhì)。 一些研究表明，LLMs 比諸如深度學(xué)習等工具更好地“理解”復雜的化學(xué)問(wèn)題，擴展了聊天機器人之外的可能性。此外，LLMs 可能會(huì )對化學(xué)教育產(chǎn)生優(yōu)勢，簡(jiǎn)化文獻綜述、信息搜索等任務(wù)。 電子交換驅動(dòng)化學(xué)反應。合成電化學(xué)由于具備諸如更高水平的化學(xué)和區域選擇性的好處，正在經(jīng)歷復興?，F在，電化學(xué)使得各種轉化都成為可能——例如合成醚、Birch 還原反應、碳-氫鍵的氧化和氟化等。最近，研究人員在該領(lǐng)域取得了另一項突破——通過(guò)交流電技術(shù)，即使在存在其他氧化還原活性基團的情況下，也可選擇性地還原羰基。
電化合成與綠色化學(xué)密切相關(guān)，并具有幾個(gè)關(guān)鍵方面的共同點(diǎn)，包括高水平的安全性、可靠性、原子經(jīng)濟性和低能耗。這些標準簡(jiǎn)化了工業(yè)化過(guò)程，巴斯夫、3M、拜耳、莊信萬(wàn)豐、羅氏、山德士等公司也最大程度地利用電化合成來(lái)生產(chǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品和中間體。與可再生電力相結合，電化學(xué)作為有機合成的可持續和多功能工具脫穎而出。 令人驚訝的是，人造肌肉的概念——用驅動(dòng)器模擬肌肉動(dòng)作——可以追溯到17世紀英國科學(xué)家羅伯特·胡克((RobertHooke)的實(shí)驗。然而，最近30年化學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展才使其真正成為可能。一些前沿方案安全地通過(guò)了體內研究，展示出該領(lǐng)域的巨大潛力。然而，專(zhuān)家預計，臨床試驗和用于人體還需要數年時(shí)間。
人造肌肉的研究涉及多種材料，需要多學(xué)科努力，研究裝置在不同外部刺激下(包括電流、溫度、pH 值和光等)的收縮、膨脹或旋轉。此外，人造肌肉已經(jīng)徹底改變了機器人技術(shù)，為假肢、外骨骼和生物醫學(xué)設備(如夾具、顯微外科裝置等)等應用建立起具有高度適應性且靈活的系統。 噬菌體的發(fā)現發(fā)生在 20 世紀初，由 Frederick Twort 在 1915 年和 Félix d'Hérelle 在 1917年同時(shí)獨立發(fā)現。在抗生素耐藥性上升到令人擔憂(yōu)的時(shí)代，噬菌體療法是一種很有前途的對抗細菌感染的方法。 在過(guò)去的幾年里，噬菌體領(lǐng)域經(jīng)歷了一次復興，展示出治療細菌感染以及其他疾病((如癌癥)的巨大前景。除了生物學(xué)以外，化學(xué)也可以補充噬菌體的特性和特征，并激發(fā)在藥物發(fā)現、診斷和材料科學(xué)中的應用。噬菌體還在新型納米醫學(xué)應用中發(fā)揮作用，包括研究蛋白質(zhì)相互作用。最后，噬菌體已經(jīng)成為超分子化學(xué)極其通用的平臺，在化學(xué)、材料科學(xué)和醫學(xué)尖端領(lǐng)域發(fā)揮作用。噬菌體形成了無(wú)機納米結構、誘導干細胞分化的平臺、檢測了疾病生物標志物，并且被構建成為組織再生等應用的結構支架。噬菌體的重新發(fā)現不僅可以創(chuàng )造對抗所謂“超級細菌”的創(chuàng )新方式，而且也可以刺激超分子化學(xué)和生物材料領(lǐng)域令人興奮的發(fā)現。 塑料污染是一個(gè)持久的問(wèn)題?；瘜W(xué)為可持續性發(fā)展提供更好的解決方案，提供基于資源再利用和減少廢品和副產(chǎn)品的新模式。發(fā)現和表征能夠自然水解和降解聚合物和塑料的酶，為重新利用和回收塑料開(kāi)辟了新的可能性;而定向進(jìn)化的發(fā)展，進(jìn)一步拓展了這個(gè)領(lǐng)域的前景。 一個(gè)特別令人興奮的進(jìn)展是一種能夠高效率水解聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)并將其轉化為聚合單體的酶。傳統的PET回收技術(shù)會(huì )導致機械性能逐漸降低。然而，通過(guò)進(jìn)化的酶最終能生產(chǎn)出與石油基PET具有相同性質(zhì)的PET。好消息是商業(yè)化即將到來(lái)。法國綠色化學(xué)公司Carbios正在建造一家工廠(chǎng)，將在2025年前實(shí)施這項創(chuàng )新技術(shù)，每年可回收50萬(wàn)噸PET，相當于20億個(gè)PET瓶。 不同的工具可以為將塑料廢棄物轉化為有價(jià)值的資源提供有趣的思路?；瘜W(xué)剪切聚合物成為單體是一種特別適合縮聚聚合物(如 PET、聚酰胺和聚氨酯)的解決方案。類(lèi)似地，高溫過(guò)程如熱解和氣化可以將如聚乙烯和聚丙烯等聚合物轉化為較小的分子片段——并非單體而是一些有趣的化學(xué)品，以實(shí)現回收利用。一些初創(chuàng )公司和企業(yè)已經(jīng)成功地為各種廢棄產(chǎn)品((包括 PET 包裝、瓶子、紡織品、聚氨酯和聚苯乙烯)實(shí)施了化學(xué)回收過(guò)程。 為實(shí)現更有效的解聚要優(yōu)先考慮兩個(gè)方面，包括聚合物和大分子結構的合理設計，以及在塑料加工過(guò)程中減少使用(如有可能，不使用)添加劑。一些令人興奮的例子包括聚二酮烯胺，這是一類(lèi)讓我們更接近閉環(huán)回收、產(chǎn)生零廢棄塑料的神奇聚合物。聚二酮烯胺中的共價(jià)鍵易于通過(guò)簡(jiǎn)單的力化學(xué)方法進(jìn)行回收和升級重構。另一種有吸引力的替代方案是微波輔助的解聚，這種方法已經(jīng)放大到PET的回收。近期，瑞士的Gr3n公司宣布，將在2027年開(kāi)設一個(gè)新工廠(chǎng)，該工廠(chǎng)每年將使用這種方法回收4萬(wàn)噸PET。 除了可生物降解性，化學(xué)家們還可以通過(guò)理性設計制造出安全和可持續的聚合物和塑料。例如，最新的分子建模進(jìn)展可以幫助預測和預期可能的污染問(wèn)題、降解副作用和回收反應的可行性。此外，全面的生命周期分析將幫助我們更好地理解廢棄物以外的影響，包括經(jīng)濟、碳排放和產(chǎn)品壽命等因素。 糖類(lèi)——即寡糖和多糖——覆蓋了大多數的生物結構，包括核酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及細胞。糖涂層對多種功能有貢獻，包括免疫反應、受體識別以及細胞間的通信、信號傳導和相互作用。理解糖類(lèi)和“糖組學(xué)”對于開(kāi)發(fā)疫苗、研究疾病和推進(jìn)生物醫學(xué)研究直關(guān)重要。 糖在研發(fā)用于治療SARS-CoV-2((引發(fā) COVID-19 的病毒)的疫苗和治療方法中起著(zhù)關(guān)鍵作用。研究人員證明，糖類(lèi)在刺突蛋白的識別過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，使得感染更為高效。而最近，另一項與糖化學(xué)有關(guān)的進(jìn)展為研制更好、更廣泛的、對新突變體具有更強效力的 SARS-CoV-2 疫苗提供了令人感興趣的基石。在這一研究中，去除刺突蛋白的糖皮似乎提供了一個(gè)強大的防感染保護。刪除一些糖，使病毒最常見(jiàn)和保守的區域暴露，這就引發(fā)了更強烈和更廣泛的免疫反應，包括中和抗體和T細胞。這種“無(wú)糖”疫苗在體外展示了許多優(yōu)勢，然而，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)體內的結果，然后由臨床試驗進(jìn)一步評估。 盡管這項技術(shù)還處于非常早期的階段，但一些生物技術(shù)和制藥公司已經(jīng)取得了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和商業(yè)化這個(gè)想法的協(xié)議。
