2021年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)

• 　　區(qū)塊鏈技術(shù)Blockchain technology

• 　　半合成生命體Semi-synthetic life

• 　　超浸潤(rùn)性Superwettability

• 　　人工腐殖質(zhì)Artificial humic matter

• 　　RNA和DNA的化學(xué)合成Chemical synthesis of RNA andDNA

• 　　聲化學(xué)涂層Sonochemical coatings

• 　　生物用化學(xué)發(fā)光Chemiluminescence for biological use

• 　　氨的可持續(xù)生產(chǎn)Sustainable production of ammonia

• 　　靶向蛋白降解Targeted protein degradation

• 　　單細(xì)胞代謝組學(xué)Single cell metabolomics

　　區(qū)塊鏈技術(shù)

　　數(shù)字化的進(jìn)步使化學(xué)創(chuàng)新更具可重復(fù)性和可追蹤性

　　區(qū)塊鏈可以存儲(chǔ)不同類型的信息,但迄今為止最常見的用途是作為交易的數(shù)字分類賬。值得注意的是,區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕?因此沒有任何個(gè)人或團(tuán)體可以控制,并且輸入的數(shù)據(jù)會(huì)被永久記錄和訪問。英國(guó)化學(xué)家已經(jīng)嘗試使用區(qū)塊鏈來跟蹤一系列簡(jiǎn)單的計(jì)算,其中每個(gè)階段的過程都被記錄下來并在數(shù)字分類賬中共享。一些化工公司已經(jīng)創(chuàng)建了基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的現(xiàn)代化,從而實(shí)現(xiàn)安全交易和持續(xù)跟蹤貨物。

　　半合成生命體

　　拓展生物化學(xué)和治療學(xué)的新字母

　　合成核苷酸的產(chǎn)生使化學(xué)家能夠構(gòu)建人工生化機(jī)器,開發(fā)的新系統(tǒng)以最大程度地減少轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中錯(cuò)誤的數(shù)量。它們?yōu)樵O(shè)計(jì)靶向治療提供了新的化學(xué)工具,包括用于攻擊轉(zhuǎn)移性實(shí)體瘤的 Thor-707,目前正在臨床試驗(yàn)中。

　　超浸潤(rùn)性

　　一個(gè)世紀(jì)之久的發(fā)現(xiàn)提供了新的機(jī)會(huì)

　　超浸潤(rùn)材料結(jié)合了兩種極端狀態(tài)--疏水性和親水性--具有獨(dú)特的流體動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)性。為了創(chuàng)造它們,研究人員從大自然中汲取靈感,通過研究極難弄濕的荷葉和擅長(zhǎng)吸水的蜘蛛絲。他們?cè)诮饘?、聚合物和紡織品上?gòu)建出具有納米結(jié)構(gòu)的表面,用于潛在的應(yīng)用,包括分解水、去除污染物、自清潔紡織品、油水分離和相變液體冷卻等。

　　人工腐殖質(zhì)

　　為可持續(xù)和高效農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)碳解決方案

　　有機(jī)物質(zhì)分解為腐殖質(zhì),為土壤添加有價(jià)值的養(yǎng)分,但是這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。因此,人工制造腐殖質(zhì)更加可持續(xù)和高效。當(dāng)添加到土壤中時(shí),合成混合物可以改善土壤質(zhì)量,提高作物產(chǎn)量并減少肥料使用。目前,有幾種方法可以加速有機(jī)物的分解--其中熱液腐化正在成為其中最吸引人的方案之一。

　　RNA和DNA的化學(xué)合成

　　COVID疫苗后核酸在藥物化學(xué)中的應(yīng)用前景

　　基于mRNA的COVID疫苗的成功問世,為更多針對(duì)癌癥、糖尿病和其他傳染病的新型療法鋪平了道路。RNA和DNA的化學(xué)合成現(xiàn)在是全自動(dòng)的,并且可以在幾個(gè)臺(tái)式合成設(shè)備中使用。該技術(shù)仍在不斷進(jìn)步,例如使用了與傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)相同的原理。利用這項(xiàng)技術(shù),科學(xué)家們將不同的DNA 鏈直接并精確地打印到硅基微反應(yīng)器中--這些設(shè)備在化學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)方面有無數(shù)的應(yīng)用。

　　聲化學(xué)涂層

　　更安全、更耐用、具有增值特性的材料

　　聲化學(xué)--使用(超)聲波來觸發(fā)化學(xué)反應(yīng),具有制造創(chuàng)新材料的巨大潛力,特別是用于抗菌涂層或智能涂層等表面,通過簡(jiǎn)單的顏色變化就可以檢測(cè)致病菌的菌株。目前,開發(fā)中的應(yīng)用包括延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期,以及提高鋰離子電池的性能和穩(wěn)定性。業(yè)界現(xiàn)在正在正在探索新的可能性,以將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大到工業(yè)環(huán)境中,并開發(fā)能夠連續(xù)生產(chǎn)涂層材料的滾筒制備法(roll-to-rollmethods)。

　　生物用化學(xué)發(fā)光

　　水溶性二氧雜環(huán)丁烷提高了生物檢測(cè)的速度和靈敏度

　　發(fā)光分子在許多應(yīng)用中都非常有用,無論是在犯罪現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)血液(魯米諾)還是在顯微鏡下照亮生物樣本(綠色熒光蛋白)。科學(xué)家們還在不斷地改進(jìn)發(fā)光分子,以應(yīng)用于高效二極管、安全信號(hào)、生物研究等方面。例如基于二氧雜環(huán)丁烷的化學(xué)發(fā)光探針,即使在沒有有機(jī)溶劑的幫助下,在有水的情況下也能發(fā)出明亮的光,這使它們特別適用于對(duì)生命系統(tǒng)進(jìn)行成像。二氧雜環(huán)丁烷探針在檢測(cè)某些類型的腫瘤方面顯示出了巨大的前景,甚至有助于區(qū)分癌癥亞型。

　　氨的可持續(xù)生產(chǎn)

　　Harber-Bosch工藝的綠色替代品

　　用于合成氨的哈伯-博世(Haber-Bosch)是有史以來最成功的化學(xué)反應(yīng)之一。但它是高能源密集型的工藝,并且會(huì)排放大量二氧化碳,科學(xué)家們需要一種可持續(xù)的替代途徑來生產(chǎn)氨。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),他們?cè)O(shè)想了兩種互補(bǔ)的戰(zhàn)略。一方面,他們從大自然中尋找靈感--特別是細(xì)菌和藍(lán)藻中的固氮酶,由于有了鐵和鉬的輔酶,它們可以減少氮?dú)?。另一方?化學(xué)家也利用電的力量來打破三重氮-氮鍵,同時(shí)從水中獲取氫原子。如果使用的能源來自可再生資源--風(fēng)能、水電、太陽能--這個(gè)過程就會(huì)變得加倍的可持續(xù),因?yàn)樗苊饬藢?duì)從化石燃料中獲得氫氣的依賴。

　　靶向蛋白質(zhì)降解

　　利用我們的細(xì)胞機(jī)制來革新制藥業(yè)

　　這項(xiàng)技術(shù)使研究人員能夠控制體內(nèi)有害蛋白質(zhì)的數(shù)量,而不是試圖改變或抑制其活性。一種降解劑藥物可以通過蛋白酶體降解來破壞多種致病蛋白質(zhì),這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)吸引了大型制藥公司的投資,并催生了多家初創(chuàng)企業(yè)。臨床試驗(yàn)顯示了它在治療癌癥方面的前景,研究人員還探索蛋白酶體降解用于治療與蛋白質(zhì)堆積有關(guān)的疾病的可能性,包括神經(jīng)退行性疾病,如帕金森癥和阿爾茨海默癥。

　　單細(xì)胞代謝組學(xué)

　　分析生物分子,一次一個(gè)細(xì)胞

　　單細(xì)胞代謝組學(xué)可以確定單個(gè)細(xì)胞的代謝特征。隨著成像手段和技術(shù)的發(fā)展,例如質(zhì)譜等技術(shù)的進(jìn)步為認(rèn)識(shí)單個(gè)細(xì)胞提供了新的視角。在冠狀病毒泛濫或在未來可能會(huì)爆發(fā)的未知情況的背景下,單細(xì)胞代謝組學(xué)將展示其巨大的可能性。一些研究利用它們的力量來更好地了解感染過程,以及入侵的病毒與我們的細(xì)胞之間的相互作用。