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11月24日，在第五屆世界科技與發(fā)展論壇上，中國化學會副理事長、國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)執(zhí)委會委員帥志剛正式發(fā)布了2023年度IUPAC化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)。
2023年度化學領(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、化學中的GPT語言模型、“低糖”疫苗、噬菌體療法、光催化制氫、合成電化學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題是當前世界面臨的最緊迫問題之一。為了應對這一挑戰(zhàn)，世界需要開發(fā)能夠幫助我們實現(xiàn)2030年可持續(xù)發(fā)展目標的技術(shù)?；瘜W領(lǐng)域十大新興技術(shù)旨在展示化學的變革價值，并向公眾介紹化學科學在增進社會福祉和可持續(xù)發(fā)展方面的潛力。”
帥志剛表示，化學領(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了跨學科合作，部分技術(shù)彌合了學術(shù)界與工業(yè)界之間的差距，并持續(xù)增強化學相關(guān)產(chǎn)業(yè)的競爭力。入選的技術(shù)都展示了科學家對未來可持續(xù)發(fā)展社會的構(gòu)想和承諾。
“與此同時，我們也很高興看到不斷有中國化學家領(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，都有來自中國科研團隊的工作貢獻。希望化學領(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自中國科技界的關(guān)注、支持和參與。”帥志剛?cè)缡钦f。
另據(jù)介紹，2024年度IUPAC化學領(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(nèi)遴選出具有巨大潛力的創(chuàng)新技術(shù)，以此來改變當前的全球化學與工業(yè)界格局，推動實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標。遴選出的新興技術(shù)被期待更好地提升人類生活和社會質(zhì)量，有助于更合理、更高效地利用和轉(zhuǎn)換資源，為新材料、電池、傳感器和醫(yī)學等諸多應用領(lǐng)域提供可持續(xù)發(fā)展的解決方案。
2023年度化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)簡介
可穿戴傳感器技術(shù)
在過去的幾年里，可穿戴設(shè)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)間的互動方式。通常，可穿戴設(shè)備可以獲取健身數(shù)據(jù)、睡眠模式，并實現(xiàn)無縫通信和導航。
化學傳感為可穿戴技術(shù)增加了更多有價值的信息，實時監(jiān)測化學與生物信號和物理刺激，具有高靈敏度，且成本低廉。結(jié)合大數(shù)據(jù)和機器學習，由可穿戴化學傳感器提供關(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(tǒng)的臨床試驗。傳統(tǒng)的臨床試驗通常需要親自訪問、活檢和采血。在多組學(基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學)時代，化學可能會帶來一場新的革命。
光催化制氫
據(jù)估計，清潔氫每年可以減少超過7億噸二氧化碳排放。然而，目前99%的氫仍來自化石燃料，因此我們需要可持續(xù)的解決方案。光催化制氫只需要可再生資源(太陽光和水)，是一個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，提供耐久性和實用性的安全系統(tǒng)。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，該領(lǐng)域發(fā)表論文和專利數(shù)量正在呈指數(shù)增長，彰顯了其蓬勃發(fā)展的姿態(tài)。
氯化物介導的海洋二氧化碳去除
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巨大緩沖系統(tǒng)。然而，海洋的緩沖能力是有限的，不斷積累的過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(zhuǎn)化為一種具有經(jīng)濟價值的碳資源。從這個意義上來說，海水中二氧化碳的電化學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原料。
目前，大多數(shù)電化學二氧化碳去除系統(tǒng)都依賴于雙極膜電滲析技術(shù)，但這項技術(shù)面臨兩個重要的挑戰(zhàn)：成本投入高;可能發(fā)生導致海洋進一步污染的泄漏。最近，一種新的想法完全繞過了膜，為海洋碳去除提供一種潛在的高效價廉機制。這種替代方案只需要兩個鉍基電極、泵和氣體分離系統(tǒng)即可實現(xiàn)，該方法捕集的二氧化碳成本僅為56美元/噸，既經(jīng)濟實惠又易于工程放大。盡管這一新興技術(shù)尚處于研發(fā)初期，但它的出現(xiàn)無疑將為減少和逆轉(zhuǎn)海洋酸化提供富有希望的方案。
化學中的GPT語言模型
近年來。，AI模型和應用取得了顯著進展，特別是得益于更好的大型語言模型大型語言模型(Large Language Models，簡稱LLMs)的發(fā)布，例如旨在同時理解和生成對話OpenAI的ChatGPT。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的細致訓練之后，AI 模型學習了語言中的模式、語法和語義，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)了科學界的興趣和關(guān)注。
目前，語言模型已經(jīng)成功地用于化學應用。ChatGPT和其他算法分析顯微鏡圖像、預測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，直至估計反應產(chǎn)率——可能性是無窮的。一種名為“ChemCrow”的新穎工具充分利用了LLMs，可以完成包括規(guī)劃合成路線、控制機器人反應平臺、自動化分析等任務(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、化學武器和受控物質(zhì)。
一些研究表明，LLMs 比諸如深度學習等工具更好地“理解”復雜的化學問題，擴展了聊天機器人之外的可能性。此外，LLMs 可能會對化學教育產(chǎn)生優(yōu)勢，簡化文獻綜述、信息搜索等任務(wù)。
合成電化學
電子交換驅(qū)動化學反應。合成電化學由于具備諸如更高水平的化學和區(qū)域選擇性的好處，正在經(jīng)歷復興?，F(xiàn)在，電化學使得各種轉(zhuǎn)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密切相關(guān)，并具有幾個關(guān)鍵方面的共同點，包括高水平的安全性、可靠性、原子經(jīng)濟性和低能耗。這些標準簡化了工業(yè)化過程，巴斯夫、3M、拜耳、莊信萬豐、羅氏、山德士等公司也最大程度地利用電化合成來生產(chǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品和中間體。與可再生電力相結(jié)合，電化學作為有機合成的可持續(xù)和多功能工具脫穎而出。
人造肌肉
令人驚訝的是，人造肌肉的概念——用驅(qū)動器模擬肌肉動作——可以追溯到17世紀英國科學家羅伯特·胡克((RobertHooke)的實驗。然而，最近30年化學和材料科學的發(fā)展才使其真正成為可能。一些前沿方案安全地通過了體內(nèi)研究，展示出該領(lǐng)域的巨大潛力。然而，專家預計，臨床試驗和用于人體還需要數(shù)年時間。
人造肌肉的研究涉及多種材料，需要多學科努力，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(zhuǎn)。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(yī)學設(shè)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(tǒng)。
噬菌體療法
噬菌體的發(fā)現(xiàn)發(fā)生在 20 世紀初，由 Frederick Twort 在 1915 年和 Félix d'Hérelle 在 1917年同時獨立發(fā)現(xiàn)。在抗生素耐藥性上升到令人擔憂的時代，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。除了生物學以外，化學也可以補充噬菌體的特性和特征，并激發(fā)在藥物發(fā)現(xiàn)、診斷和材料科學中的應用。噬菌體還在新型納米醫(yī)學應用中發(fā)揮作用，包括研究蛋白質(zhì)相互作用。最后，噬菌體已經(jīng)成為超分子化學極其通用的平臺，在化學、材料科學和醫(yī)學尖端領(lǐng)域發(fā)揮作用。噬菌體形成了無機納米結(jié)構(gòu)、誘導干細胞分化的平臺、檢測了疾病生物標志物，并且被構(gòu)建成為組織再生等應用的結(jié)構(gòu)支架。噬菌體的重新發(fā)現(xiàn)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和生物材料領(lǐng)域令人興奮的發(fā)現(xiàn)。
PET的生物回收
塑料污染是一個持久的問題。化學為可持續(xù)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(xiàn)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辟了新的可能性;而定向進化的發(fā)展，進一步拓展了這個領(lǐng)域的前景。
一個特別令人興奮的進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(zhuǎn)化為聚合單體的酶。傳統(tǒng)的PET回收技術(shù)會導致機械性能逐漸降低。然而，通過進化的酶最終能生產(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。法國綠色化學公司Carbios正在建造一家工廠，將在2025年前實施這項創(chuàng)新技術(shù)，每年可回收50萬噸PET，相當于20億個PET瓶。
解聚
不同的工具可以為將塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為有價值的資源提供有趣的思路?；瘜W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。類似地，高溫過程如熱解和氣化可以將如聚乙烯和聚丙烯等聚合物轉(zhuǎn)化為較小的分子片段——并非單體而是一些有趣的化學品，以實現(xiàn)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)實施了化學回收過程。
為實現(xiàn)更有效的解聚要優(yōu)先考慮兩個方面，包括聚合物和大分子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，以及在塑料加工過程中減少使用(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鍵易于通過簡單的力化學方法進行回收和升級重構(gòu)。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年開設(shè)一個新工廠，該工廠每年將使用這種方法回收4萬噸PET。
除了可生物降解性，化學家們還可以通過理性設(shè)計制造出安全和可持續(xù)的聚合物和塑料。例如，最新的分子建模進展可以幫助預測和預期可能的污染問題、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。
“低糖”疫苗
糖類——即寡糖和多糖——覆蓋了大多數(shù)的生物結(jié)構(gòu)，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。理解糖類和“糖組學”對于開發(fā)疫苗、研究疾病和推進生物醫(yī)學研究直關(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關(guān)鍵作用。研究人員證明，糖類在刺突蛋白的識別過程中起到了關(guān)鍵作用，使得感染更為高效。而最近，另一項與糖化學有關(guān)的進展為研制更好、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強大的防感染保護。刪除一些糖，使病毒最常見和保守的區(qū)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“無糖”疫苗在體外展示了許多優(yōu)勢，然而，還需要進一步的研究來證實體內(nèi)的結(jié)果，然后由臨床試驗進一步評估。
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)取得了進一步開發(fā)和商業(yè)化這個想法的協(xié)議。
