行業(yè)資訊

  11月24日，在第五屆世界科技與發(fā)展論壇上，中國(guó)化學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)執(zhí)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(dǎo)的海洋二氧化碳去除、解聚、化學(xué)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(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(yīng)問題是當(dāng)前世界面臨的最緊迫問題之一。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，世界需要開發(fā)能夠幫助我們實(shí)現(xiàn)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)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(xù)發(fā)展方面的潛力。”

  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(píng)選一次。今年的評(píng)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(xù)增強(qiáng)化學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。入選的技術(shù)都展示了科學(xué)家對(duì)未來可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的構(gòu)想和承諾。

  “與此同時(shí)，我們也很高興看到不斷有中國(guó)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，都有來自中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的工作貢獻(xiàn)。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自中國(guó)科技界的關(guān)注、支持和參與?！睅浿緞?cè)缡钦f。

  另據(jù)介紹，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(nèi)遴選出具有巨大潛力的創(chuàng)新技術(shù)，以此來改變當(dāng)前的全球化學(xué)與工業(yè)界格局，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。遴選出的新興技術(shù)被期待更好地提升人類生活和社會(huì)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(xué)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域提供可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

2023年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)無縫通信和導(dǎo)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(jiān)測(cè)化學(xué)與生物信號(hào)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(jī)器學(xué)習(xí)，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(tǒng)的臨床試驗(yàn)。傳統(tǒng)的臨床試驗(yàn)通常需要親自訪問、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)帶來一場(chǎng)新的革命。

光催化制氫

  據(jù)估計(jì)，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(gè)極具吸引力的替代方案。

  然而，這項(xiàng)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(shì)是可擴(kuò)展性，提供耐久性和實(shí)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(shí)，該領(lǐng)域發(fā)表論文和專利數(shù)量正在呈指數(shù)增長(zhǎng)，彰顯了其蓬勃發(fā)展的姿態(tài)。

氯化物介導(dǎo)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(jī)的一個(gè)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(jì)價(jià)值的碳資源。從這個(gè)意義上來說，海水中二氧化碳的電化學(xué)捕集已成為二氧化碳凈負(fù)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(jí)的合成燃料和化學(xué)原料。

  目前，大多數(shù)電化學(xué)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(xiàng)技術(shù)面臨兩個(gè)重要的挑戰(zhàn)：成本投入高;可能發(fā)生導(dǎo)致海洋進(jìn)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(jià)廉機(jī)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(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，該方法捕集的二氧化碳成本僅為56美元/噸，既經(jīng)濟(jì)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(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(xué)中的GPT語言模型

  近年來。，AI模型和應(yīng)用取得了顯著進(jìn)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(jiǎn)稱LLMs)的發(fā)布，例如旨在同時(shí)理解和生成對(duì)話OpenAI的ChatGPT。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的細(xì)致訓(xùn)練之后，AI 模型學(xué)習(xí)了語言中的模式、語法和語義，并理解輸入和推理響應(yīng)(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，語言模型已經(jīng)成功地用于化學(xué)應(yīng)用。ChatGPT和其他算法分析顯微鏡圖像、預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，直至估計(jì)反應(yīng)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(jī)器人反應(yīng)平臺(tái)、自動(dòng)化分析等任務(wù)。此外，最新的更新包括多項(xiàng)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(xí)等工具更好地“理解”復(fù)雜的化學(xué)問題，擴(kuò)展了聊天機(jī)器人之外的可能性。此外，LLMs 可能會(huì)對(duì)化學(xué)教育產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化文獻(xiàn)綜述、信息搜索等任務(wù)。

合成電化學(xué)

  電子交換驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。合成電化學(xué)由于具備諸如更高水平的化學(xué)和區(qū)域選擇性的好處，正在經(jīng)歷復(fù)興。現(xiàn)在，電化學(xué)使得各種轉(zhuǎn)化都成為可能——例如合成醚、Birch 還原反應(yīng)、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(xiàng)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(tuán)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(jì)性和低能耗。這些標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)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(xué)作為有機(jī)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(dòng)器模擬肌肉動(dòng)作——可以追溯到17世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家羅伯特·胡克((RobertHooke)的實(shí)驗(yàn)。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了體內(nèi)研究，展示出該領(lǐng)域的巨大潛力。然而，專家預(yù)計(jì)，臨床試驗(yàn)和用于人體還需要數(shù)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(zhuǎn)。此外，人造肌肉已經(jīng)徹底改變了機(jī)器人技術(shù)，為假肢、外骨骼和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備(如夾具、顯微外科裝置等)等應(yīng)用建立起具有高度適應(yīng)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(jì)初，由 Frederick Twort 在 1915 年和 Félix d'Hérelle 在 1917年同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)。在抗生素耐藥性上升到令人擔(dān)憂的時(shí)代，噬菌體療法是一種很有前途的對(duì)抗細(xì)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(fù)興，展示出治療細(xì)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(bǔ)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(xué)中的應(yīng)用。噬菌體還在新型納米醫(yī)學(xué)應(yīng)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(tái)，在化學(xué)、材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)尖端領(lǐng)域發(fā)揮作用。噬菌體形成了無機(jī)納米結(jié)構(gòu)、誘導(dǎo)干細(xì)胞分化的平臺(tái)、檢測(cè)了疾病生物標(biāo)志物，并且被構(gòu)建成為組織再生等應(yīng)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(duì)抗所謂“超級(jí)細(xì)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(xiàn)。

PET的生物回收

  塑料污染是一個(gè)持久的問題?；瘜W(xué)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?gòu)U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(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(duì)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(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能逐漸降低。然而，通過進(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。法國(guó)綠色化學(xué)公司Carbios正在建造一家工廠，將在2025年前實(shí)施這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，每年可回收50萬噸PET，相當(dāng)于20億個(gè)PET瓶。

解聚

  不同的工具可以為將塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資源提供有趣的思路。化學(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(xué)品，以實(shí)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(shí)施了化學(xué)回收過程。

  為實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，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(jià)鍵易于通過簡(jiǎn)單的力化學(xué)方法進(jìn)行回收和升級(jí)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(gè)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(xué)家們還可以通過理性設(shè)計(jì)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(jìn)展可以幫助預(yù)測(cè)和預(yù)期可能的污染問題、降解副作用和回收反應(yīng)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(jì)、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(xì)胞。糖涂層對(duì)多種功能有貢獻(xiàn)，包括免疫反應(yīng)、受體識(shí)別以及細(xì)胞間的通信、信號(hào)傳導(dǎo)和相互作用。理解糖類和“糖組學(xué)”對(duì)于開發(fā)疫苗、研究疾病和推進(jìn)生物醫(yī)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關(guān)鍵作用。研究人員證明，糖類在刺突蛋白的識(shí)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(xiàng)與糖化學(xué)有關(guān)的進(jìn)展為研制更好、更廣泛的、對(duì)新突變體具有更強(qiáng)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(qiáng)大的防感染保護(hù)。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(qiáng)烈和更廣泛的免疫反應(yīng)，包括中和抗體和T細(xì)胞。這種“無糖”疫苗在體外展示了許多優(yōu)勢(shì)，然而，還需要進(jìn)一步的研究來證實(shí)體內(nèi)的結(jié)果，然后由臨床試驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)估。

  盡管這項(xiàng)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)一步開發(fā)和商業(yè)化這個(gè)想法的協(xié)議。