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近日，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）公布了“2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名單。詳細(xì)介紹如下：

鈉離子電池（NIB 或 SIB）是一種可充電電池，類似于鋰離子電池，但使用鈉離子 作為電荷載體。它的工作原理和電池結(jié)構(gòu)與商業(yè)上廣泛使用的鋰離子電池類型幾乎相同，但使用的是鈉化合物而不是鋰化合物。

鈉離子電池正在成為現(xiàn)有鋰電池技術(shù)的潛在替代品，因?yàn)槭澜鐚⒚媾R后者資源的減少。此外，與鋰相比，鈉的低成本是考慮鈉作為未來替代電池技術(shù)的一個(gè)有希望的因素。由于 SIB 使用豐富且廉價(jià)的材料（如鈉代替鋰， 鋁代替銅），因此預(yù)計(jì)它們會(huì)比 LIB 便宜。此外，SIBs 對(duì)環(huán)境的影響很小。盡管 SIB 比 LIB 重，但它們更適用于重量和體積不太重要的固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)。

我們需要更好、更實(shí)惠的電池。鈉離子電池是一種豐富且價(jià)格合理的鋰替代品。--IUPAC

02 Nanozyme  納米酶

納米技術(shù)是開發(fā) COVID-19 疫苗的關(guān)鍵。納米世界在醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可能性已變得顯而易見，許多其他技術(shù)也引起了研究人員和 IUPAC 專家的關(guān)注。其中有納米酶，具有天然酶特性的納米材料，以及一些補(bǔ)充特性。由于納米酶是人造的，并且是在實(shí)驗(yàn)室按需設(shè)計(jì)的，因此它們?cè)诜€(wěn)定性、可回收性和成本方面具有多種優(yōu)勢(shì)。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內(nèi)起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩(wěn)定的儲(chǔ)存。

納米酶領(lǐng)域大約在 20 年前出現(xiàn)。2004 年，意大利研究人員將金納米粒子功能化以催化磷酸化反應(yīng)，幾年后，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)某些納米粒子自然表現(xiàn)出類似酶的活性（Nature Nanotech, 2007, 2, 577–583 ）。這兩件事都引發(fā)了一個(gè)全新領(lǐng)域的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，此后取得了非常重大的進(jìn)展，包括在美國(guó)、歐洲和亞洲的一些開創(chuàng)性商業(yè)企業(yè)。納米酶的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)來自定制的可能性?；瘜W(xué)家附加各種分子來修飾納米酶的特性，使其超越經(jīng)典的催化能力。納米世界在表面積方面提供了獨(dú)特的可能性，并允許多功能化——應(yīng)用于生物分析、診斷、治療、傳感、水處理等等。納米酶領(lǐng)域最具吸引力的方法之一是開發(fā)新型即時(shí)診斷技術(shù)，有可能滿足世界衛(wèi)生組織 (WHO) 的最關(guān)鍵呼吁。對(duì)于 WHO，床旁設(shè)備應(yīng)符合 ASSURED 標(biāo)準(zhǔn)——經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、敏感、具體、用戶友好、快速、無設(shè)備和交付。納米酶可以為許多不同的 測(cè)試技術(shù)提供這些特性，包括電化學(xué)、熒光、比色和免疫分析。此外，它們確保了小型化和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，與當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)相比，這兩項(xiàng)都是重要的改進(jìn)。此外，納米酶已顯示出良好的生物兼容性，可確保安全集成到醫(yī)療保健應(yīng)用中，包括生物成像和病原體檢測(cè)。

此外，納米酶已在治療中找到用途，主要是因?yàn)樗鼈兇呋c衰老、炎癥、不孕癥、神經(jīng)退行性疾病和癌癥有關(guān)的活性氧和氮。在一些初步研究中，納米酶已顯示出針對(duì)所有這些問題的保護(hù)特性，并且還促進(jìn)了干細(xì)胞的生長(zhǎng)，這對(duì)組織工程和其他療法很有用。除了生物醫(yī)學(xué)，納米酶已成為水處理和去除污染的有用解決方案，符合聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 6、14 和 15，所有這些都與清潔環(huán)境有關(guān)。這種特殊應(yīng)用的一個(gè)有趣方面是鐵基納米酶的可回收性，這源于它們的磁性。凈化污染介質(zhì)后，很容易用磁鐵從溶液中提取納米酶，用于后續(xù)處理和再利用。研究人員還設(shè)計(jì)了基于金、鈰、鉑和汞納米酶的邏輯門——所有這些都可以促進(jìn)計(jì)算機(jī)的小型化。通過解決天然和人造酶的一些問題，并提供一些有前途的新特性，納米酶很快就會(huì)成為許多不同應(yīng)用中有吸引力的替代品。

納米酶是一種結(jié)合自然和人工催化的力量，它在穩(wěn)定性、可回收性和成本方面具有多種優(yōu)勢(shì)。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內(nèi)起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩(wěn)定的儲(chǔ)存。--IUPAC

03 Aerogels  氣凝膠

氣凝膠是一類由凝膠衍生的合成多孔超輕材料，其中凝膠的液體成分已被氣體取代，凝膠結(jié)構(gòu)沒有明顯塌陷，形成具有極低密度和極低熱導(dǎo)率的固體。氣凝膠可以由多種化合物制成，例如 二氧化硅氣凝膠摸起來像易碎的膨脹聚 苯乙烯，而一些基于聚合物的氣凝膠摸起來像硬質(zhì)泡沫。

氣凝膠是通過超臨界干燥或冷凍干燥提取凝膠的液體成分來生產(chǎn)的。這允許液體緩慢干燥，而不會(huì)導(dǎo)致凝膠中的固體基質(zhì)因毛細(xì)作用而像傳統(tǒng)蒸發(fā)會(huì)發(fā)生的塌陷。氣凝膠結(jié)構(gòu)源于溶膠-凝膠聚合，即單體（簡(jiǎn)單分子）與其他單體反應(yīng)形成溶膠或由鍵合、交聯(lián)的大分子組成的物質(zhì)，其中有液體溶液的沉積物。當(dāng)材料被嚴(yán)格加熱時(shí)，液體會(huì)蒸發(fā)，留下鍵合、交聯(lián)的高分子框架。聚合和臨界加熱的結(jié)果是產(chǎn)生了一種具有多孔強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料，被歸類為氣凝膠。合成的變化可以改變氣凝膠的表面積和孔徑?？讖皆叫?，氣凝膠越容易破裂。

氣凝膠是已知的最輕的固體之一，但是基于聚合物的氣凝膠具有很高的強(qiáng)度和抗撕裂性。另一個(gè)關(guān)鍵特性來自它們的低密度和孔隙率——它們是非常好的熱絕緣體，因此在航空航天技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了許多有趣的應(yīng)用。事實(shí)上，N ASA 依靠一個(gè)專門的研究團(tuán)隊(duì)來研究這類材料，并且已經(jīng)在他們的火星探測(cè)器和其他航天器中測(cè)試了其中一些材料作為絕熱體。氣凝膠提供出色的隔熱效果，其厚度僅為傳統(tǒng)絕緣材料的一半。

也許不足為奇的是，這樣的空間技術(shù)導(dǎo)致了氣凝膠更多的實(shí)際應(yīng)用。許多項(xiàng)目與 IYBSSD 和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的目標(biāo)一致——包括高效 催化劑、超級(jí)電容器、藥物輸送系統(tǒng)和水凈化。后者——以及其他在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用——已被廣泛探索并顯示出巨大的前景。特別是，氣凝膠成功地去除了污染物，例如空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 以及水中的有毒物質(zhì)。通過不同的工藝，化學(xué)家定制氣凝膠的表面以改變它們的吸附能力，并調(diào)整它們的選擇性。最具吸引力的應(yīng)用包括去除廢水中的重金屬離子以及有效清潔和處理溢油。此外，一些研究人員建議使用氣凝膠的巨大表面積來解決我們這一代最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題之一——大氣中二氧化 碳的高濃度。它們?cè)谌萘亢凸ぷ鳒囟确矫媾c沸石和金屬有機(jī)骨架 (MOF) 等其他多孔材料競(jìng)爭(zhēng)，因此一些吸附氣凝膠已經(jīng)為此目的商業(yè)化。

此外，氣凝膠表面的可調(diào)節(jié)性導(dǎo)致在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和傳感方面的突破性應(yīng)用。而且這種組合更有趣。例如，氣凝膠的生物兼容性可能導(dǎo)致植入式設(shè)備監(jiān)測(cè)生理常數(shù)。生物兼容性和生物降解性已經(jīng)引發(fā)了能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存的用途，提供了比其他可用替代品更環(huán)保的解決方案。氣凝膠由葡萄糖、 纖維素、 石墨烯和其他環(huán)保材料制成，改善了電池、超級(jí)電容器甚至柔性電子產(chǎn)品的性能。但也許最有趣的應(yīng)用再次來自氣凝膠的熱特性。不同的研究已經(jīng)證明了氣凝膠如何提高太陽(yáng)能熱電廠的效率，即。能量收集平臺(tái)，將太陽(yáng)的熱量集中起來產(chǎn)生蒸汽、移動(dòng)渦輪機(jī)和發(fā)電。因此，氣凝膠還為應(yīng)對(duì)持續(xù)的能源危機(jī)提供了有趣的工具。

氣凝膠是最輕的隔熱材料，為應(yīng)對(duì)持續(xù)的能源危機(jī)提供了有趣的工具。---IUPAC

04 Film-based fluorescent sensors  薄膜熒光傳感器

熒光是化學(xué)和生物傳感的基本工具，主要是由于其靈敏度和選擇性。由于其可調(diào)諧性和多功能性，基于薄膜的熒光傳感器已成為一種廣泛使用的工具。在這些設(shè)備中，熒光分子被固定在合適的表面上，形成對(duì)外部刺激起反應(yīng)的 2D 或 3D 薄膜。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便攜性。基于薄膜的熒光傳感器的尺寸不到一厘米，這使得分析工具可以小型化?；诒∧さ臒晒鈧鞲衅鞒梭w積小之外還具有有趣的特性，例如功率效率和易于操作。在過去的幾年里，陜西師范大學(xué)房喻院士團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出不同的基于薄膜的熒光傳感器來檢測(cè)不同的物種，特別是氨、NOx 和 VOC 等污染氣體。此外，這些薄膜還可以檢測(cè)更復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，包括殺蟲劑、神經(jīng)毒劑和三 硝基甲 苯 (TNT) 等爆炸物（Mol. Syst. Des. Eng., 2016,1, 242-257）。

最近，陜西師范大學(xué)房喻院士團(tuán)隊(duì)研究人員設(shè)計(jì)了一種基于薄膜熒光傳感器的“化學(xué)鼻”，以極高的靈敏度檢測(cè)尼 古丁（Chem. Commun., 2019,55, 12679-12682）。這些結(jié)果暗示了基于薄膜的熒光傳感器在環(huán)境修復(fù)應(yīng)用中的巨大可能性，因?yàn)樗鼈兛梢栽诓煌廴疚锏臋z測(cè)、識(shí)別和量化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。最近，研究人員已經(jīng)證明了基于薄膜的熒光傳感器檢測(cè)病原體的潛力，特別是食源性李斯特菌，這是許多食物中毒病例背后的致命細(xì)菌（Aggregate 2022, e203）。所有這些，再加上紫外線激光技術(shù)的最新進(jìn)展，可能會(huì)導(dǎo)致污染檢測(cè)設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的小型化，在部署互連監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（例如通過物聯(lián)網(wǎng)）和應(yīng)用可穿戴電子產(chǎn)品和便攜式傳感器領(lǐng)域。

基于薄膜的熒光傳感器擁有微型探測(cè)器的可調(diào)諧、多功能替代方案。--IUPAC