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重磅!2022年度化学领域十大新兴技术公布

2022-11-11

近日,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)公布了“2022年度化学领域十大新兴技术(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名单。详细介绍如下:

01 Sodium-ion batteries

钠离子电池

钠离子电池(NIB 或 SIB)是一种可充电电池,类似于锂离子电池,但使用钠离子 作为电荷载体。它的工作原理和电池结构与商业上广泛使用的锂离子电池类型几乎相同,但使用的是钠化合物而不是锂化合物。

钠离子电池正在成为现有锂电池技术的潜在替代品,因为世界将面临后者资源的减少。此外,与锂相比,钠的低成本是考虑钠作为未来替代电池技术的一个有希望的因素。由于 SIB 使用丰富且廉价的材料(如钠代替锂,铝代替铜),因此预计它们会比 LIB 便宜。此外,SIBs 对环境的影响很小。尽管 SIB 比 LIB 重,但它们更适用于重量和体积不太重要的固定式储能系统。

我们需要更好、更实惠的电池。钠离子电池是一种丰富且价格合理的锂替代品。

02 Nanozyme

纳米酶

纳米技术是开发 COVID-19 疫苗的关键。纳米世界在医疗保健和生物医学领域的可能性已变得显而易见,许多其他技术也引起了研究人员和 IUPAC 专家的关注。其中有纳米酶,具有天然酶特性的纳米材料,以及一些补充特性。由于纳米酶是人造的,并且是在实验室按需设计的,因此它们在稳定性、可回收性和成本方面具有多种优势。与仅在特定的温度和 pH 范围内起作用的天然酶不同,纳米酶能够承受恶劣的条件并允许持久、安全和稳定的储存。

纳米酶领域大约在 20 年前出现。2004 年,意大利研究人员将金纳米粒子功能化以催化磷酸化反应,几年后,中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士团队发现某些纳米粒子自然表现出类似酶的活性(Nature Nanotech, 2007, 2, 577–583 )。这两件事都引发了一个全新领域的指数级增长,此后取得了非常重大的进展,包括在美国、欧洲和亚洲的一些开创性商业企业。纳米酶的另一个优势来自定制的可能性。化学家附加各种分子来修饰纳米酶的特性,使其超越经典的催化能力。纳米世界在表面积方面提供了独特的可能性,并允许多功能化——应用于生物分析、诊断、治疗、传感、水处理等等。纳米酶领域最具吸引力的方法之一是开发新型即时诊断技术,有可能满足世界卫生组织 (WHO) 的最关键呼吁。对于 WHO,床旁设备应符合 ASSURED 标准——经济实惠、敏感、具体、用户友好、快速、无设备和交付。纳米酶可以为许多不同的测试技术提供这些特性,包括电化学、荧光、比色和免疫分析。此外,它们确保了小型化和长期稳定性,与当前最先进的技术相比,这两项都是重要的改进。此外,纳米酶已显示出良好的生物兼容性,可确保安全集成到医疗保健应用中,包括生物成像和病原体检测。

此外,纳米酶已在治疗中找到用途,主要是因为它们催化消除与衰老、炎症、不孕症、神经退行性疾病和癌症有关的活性氧和氮。在一些初步研究中,纳米酶已显示出针对所有这些问题的保护特性,并且还促进了干细胞的生长,这对组织工程和其他疗法很有用。除了生物医学,纳米酶已成为水处理和去除污染的有用解决方案,符合联合国可持续发展目标 6、14 和 15,所有这些都与清洁环境有关。这种特殊应用的一个有趣方面是铁基纳米酶的可回收性,这源于它们的磁性。净化污染介质后,很容易用磁铁从溶液中提取纳米酶,用于后续处理和再利用。研究人员还设计了基于金、铈、铂和汞纳米酶的逻辑门——所有这些都可以促进计算机的小型化。通过解决天然和人造酶的一些问题,并提供一些有前途的新特性,纳米酶很快就会成为许多不同应用中有吸引力的替代品。

纳米酶是一种结合自然和人工催化的力量,它在稳定性、可回收性和成本方面具有多种优势。与仅在特定的温度和 pH 范围内起作用的天然酶不同,纳米酶能够承受恶劣的条件并允许持久、安全和稳定的储存。

03 Aerogels

气凝胶

气凝胶是一类由凝胶衍生的合成多孔超轻材料,其中凝胶的液体成分已被气体取代,凝胶结构没有明显塌陷,形成具有极低密度和极低热导率的固体。气凝胶可以由多种化合物制成,例如二氧化硅气凝胶摸起来像易碎的膨胀聚苯乙烯,而一些基于聚合物的气凝胶摸起来像硬质泡沫。

气凝胶是通过超临界干燥或冷冻干燥提取凝胶的液体成分来生产的。这允许液体缓慢干燥,而不会导致凝胶中的固体基质因毛细作用而像传统蒸发会发生的塌陷。气凝胶结构源于溶胶-凝胶聚合,即单体(简单分子)与其他单体反应形成溶胶或由键合、交联的大分子组成的物质,其中有液体溶液的沉积物。当材料被严格加热时,液体会蒸发,留下键合、交联的高分子框架。聚合和临界加热的结果是产生了一种具有多孔强结构的材料,被归类为气凝胶。合成的变化可以改变气凝胶的表面积和孔径。孔径越小,气凝胶越容易破裂。

气凝胶是已知的最轻的固体之一,但是基于聚合物的气凝胶具有很高的强度和抗撕裂性。另一个关键特性来自它们的低密度和孔隙率——它们是非常好的热绝缘体,因此在航空航天技术中发现了许多有趣的应用。事实上,NASA 依靠一个专门的研究团队来研究这类材料,并且已经在他们的火星探测器和其他航天器中测试了其中一些材料作为绝热体。气凝胶提供出色的隔热效果,其厚度仅为传统绝缘材料的一半。

也许不足为奇的是,这样的空间技术导致了气凝胶更多的实际应用。许多项目与 IYBSSD 和可持续发展目标的目标一致——包括高效催化剂、超级电容器、药物输送系统和水净化。后者——以及其他在环境修复中的应用——已被广泛探索并显示出巨大的前景。特别是,气凝胶成功地去除了污染物,例如空气中的挥发性有机化合物 (VOC) 以及水中的有毒物质。通过不同的工艺,化学家定制气凝胶的表面以改变它们的吸附能力,并调整它们的选择性。最具吸引力的应用包括去除废水中的重金属离子以及有效清洁和处理溢油。此外,一些研究人员建议使用气凝胶的巨大表面积来解决我们这一代最具挑战性的环境问题之一——大气中二氧化碳的高浓度。它们在容量和工作温度方面与沸石和金属有机骨架 (MOF) 等其他多孔材料竞争,因此一些吸附气凝胶已经为此目的商业化。

此外,气凝胶表面的可调节性导致在生物医学技术和传感方面的突破性应用。而且这种组合更有趣。例如,气凝胶的生物兼容性可能导致植入式设备监测生理常数。生物兼容性和生物降解性已经引发了能源生产和储存的用途,提供了比其他可用替代品更环保的解决方案。气凝胶由葡萄糖、纤维素、石墨烯和其他环保材料制成,改善了电池、超级电容器甚至柔性电子产品的性能。但也许最有趣的应用再次来自气凝胶的热特性。不同的研究已经证明了气凝胶如何提高太阳能热电厂的效率,即。能量收集平台,将太阳的热量集中起来产生蒸汽、移动涡轮机和发电。因此,气凝胶还为应对持续的能源危机提供了有趣的工具。

气凝胶是最轻的隔热材料,为应对持续的能源危机提供了有趣的工具。

04 Film-based fluorescent sensors

薄膜荧光传感器

荧光是化学和生物传感的基本工具,主要是由于其灵敏度和选择性。由于其可调谐性和多功能性,基于薄膜的荧光传感器已成为一种广泛使用的工具。在这些设备中,荧光分子被固定在合适的表面上,形成对外部刺激起反应的 2D 或 3D 薄膜。一个优点是便携性。基于薄膜的荧光传感器的尺寸不到一厘米,这使得分析工具可以小型化。基于薄膜的荧光传感器除了体积小之外还具有有趣的特性,例如功率效率和易于操作。在过去的几年里,陕西师范大学房喻院士团队已经开发出不同的基于薄膜的荧光传感器来检测不同的物种,特别是氨、NOx 和 VOC 等污染气体。此外,这些薄膜还可以检测更复杂的化学物质,包括杀虫剂、神经毒剂和三硝基甲苯 (TNT) 等爆炸物(Mol. Syst. Des. Eng., 2016,1, 242-257)。

最近,陕西师范大学房喻院士团队研究人员设计了一种基于薄膜荧光传感器的“化学鼻”,以极高的灵敏度检测尼古丁(Chem. Commun., 2019,55, 12679-12682)。这些结果暗示了基于薄膜的荧光传感器在环境修复应用中的巨大可能性,因为它们可以在不同污染物的检测、识别和量化中发挥关键作用。最近,研究人员已经证明了基于薄膜的荧光传感器检测病原体的潜力,特别是食源性李斯特菌,这是许多食物中毒病例背后的致命细菌(Aggregate 2022, e203)。所有这些,再加上紫外线激光技术的最新进展,可能会导致污染检测设备和生物医学设备的小型化,在部署互连监控网络(例如通过物联网)和应用可穿戴电子产品和便携式传感器领域。

基于薄膜的荧光传感器拥有微型探测器的可调谐、多功能替代方案。

05 Nanoparticle mega libraries

巨型纳米粒子图书馆

巨型图书馆和一种名为 ARES 的基于原位拉曼光谱的筛选技术帮助研究人员确定了一种新的金铜催化剂。它可用作合成由碳制成的单壁纳米管的催化剂。美国研究人员表示,他们已经开发出一种生产 65,000 多种复杂纳米粒子的方法,每种纳米粒子包含多达六种不同的材料和八个片段,其界面可用于电气或光学应用。每根长约 55 纳米,宽约 20 纳米:相比之下,人类头发的厚度约为 100,000 纳米。“纳米科学界对制造结合了几种不同材料——半导体、催化剂、磁体、电子材料的纳米颗粒非常感兴趣,”宾夕法尼亚州立大学团队负责人 Raymond E Schaak 说。“你可以考虑将不同的半导体连接在一起,以控制电子如何穿过材料,或者以不同的方式排列材料来改变它们的光学、催化或磁性。Schaak 及其同事采用由铜和硫组成的简单纳米棒,然后使用称为阳离子交换的过程用其他金属顺序替换一些铜。通过改变反应条件,他们可以控制纳米棒中铜被替换的位置(一端、两端同时或中间)。他们用其他金属重复了这个过程,这些金属也可以放置在纳米棒内的精确位置。通过与几种不同的金属进行多达七次连续反应,他们可以创造出彩虹般的粒子——超过 65,000 种金属硫化物材料的组合是可能的。

多年来,大数据和高通量筛选推动了新化学品的发现。纳米粒子巨型图书馆以某种方式将这些技术转化为材料世界。通过创建具有数百万个组成和结构各不相同的纳米粒子的阵列,科学家们设计了一种强大的工具来个性化特性和应用。

研究人员使用称为聚合物笔光刻的纳米颗粒沉积技术构建这些巨型图书馆。不同的金属盐溶解在聚合物墨水中,然后使用数千个微小的软尖端小心地将其沉积在表面上——力和压力决定了液滴的大小,从而决定了颗粒的大小。之后,加热消除聚合物并减少盐,使金属纳米颗粒准备好催化化学反应。它相当于制造数百万个微型反应器,浓缩在一张简单的显微镜载玻片上(Science 2008, 321 (5896), 1658)。

纳米粒子巨型图书馆,高通量合成筛选到达纳米世界。

06 Fiber batteries

纤维电池

如前所述,世界需要更好的电池来应对能源危机。使用当前技术有效地储存能量是非常困难的。事实上,根据美国能源信息署的估计,使用电池供电的家用电器将使您的电费增加三倍并占用大量空间。纤维电池提供了另一种有趣的解决方案,同时在可穿戴电子产品领域开辟了可能性。

纤维电池的配置与传统的替代品完全不同,通常基于堆叠的电极和组件——很像意大利化学家亚历山德罗·沃尔塔的原始设计。相反,纤维电池呈现出几乎一维的设计,以缠绕的电线作为电极。该结构受到聚合物涂层的保护,聚合物涂层也将电解质密封在电池内。类似地,这种设计的修改版本产生了超级电容器——一种能够快速提供电荷的储能解决方案,例如在摄影闪光灯中。总体而言,纤维电池与其他解决方案相比具有一系列优势;它们灵活、坚固且安全。此外,编织纤维可制成电池“织物”,适用于许多不同的形状和应用。一些研究表明,电池织物柔软且透气,因此非常适合可穿戴电子产品的应用。它们似乎还可以承受洗涤,而不会损失任何能量密度。其他方法,例如热拉法,允许用电活性凝胶制造纤维电池,同时电极得到柔性防水包层的保护。这种策略已经实现了长达 140 米的纤维的连续生产,并展示了类似的放电能力。

最近,复旦大学彭慧胜教授课题组开发了基于锂离子技术生产高性能编织纤维电池的新方法。这些设备的能量密度比第一个纤维电池原型好八十倍;此外,它们在五百次充电循环后仍保留 90% 的容量,这与大多数商用电池相当。在概念验证应用中,科学家们研究了为智能手机无线充电的可能性,以及将编织电池与纺织品显示器和交互式夹克集成在一起,用于监测不同的身体常数。该工艺还具有可扩展性,因为它经过优化,可与标准工业设备配合使用,包括纺织工业中广泛使用的机械,如剑杆织机。在理想情况下,电池的成本可能低于每米 0.05 美元(相关报道:不到半年,复旦大学彭慧胜团队再发Nature!)。三星和华为等公司正在研究纤维电池的潜力,预计该市场将与可穿戴设备和印刷电子产品等产品一起增长。

纤维电池,一种新的储能形式,为可穿戴设备做好准备。

07 Liquid solar fuel synthesis

生产液态太阳能

植物利用光合作用将二氧化碳和阳光转化为葡萄糖。同样,化学家创造了“人工光合作用”来模拟这一过程,并生产出富含能量的物质,并用作燃料。通常,研究人员会寻找碳基分子,例如醇类和低分子量碳氢化合物,以用污染较少的替代品替代无处不在的石油衍生燃料。然而,一些分类还包括氢、氨和肼等燃料,只要其制造中使用的主要能源是完全可再生的——主要是太阳能和风能。像电池一样,太阳能燃料提供了储存间歇性能量的新机会。这就是为什幺一些专家称这种策略为“装瓶可再生能源”。

光催化也提供了巨大的机会。通过直接使用阳光来激活和加速反应,化学家可以节省步骤并简化整个过程。许多人认为光催化是将太阳能转化为能源丰富的产品(如燃料)的理想方法。目前,世界各地的许多团体都在努力解决这一过程中的问题。即使是植物,经过数十亿年的进化,也只能管理最高 4% 的能量转换效率。其中一些解决方案来自将人造催化剂与天然结构(例如酶甚至细菌)配对。除其他优点外,这些耦合系统提供了获取有趣的商品化学品的途径,例如乙酸。其他团体梦想在夜间工作的光催化过程,并将催化剂连接到电容器和电池,它们在照明期间储存能量并在晚上开始释放能量。“持久光催化”的概念可以减少间歇性,提高过程的性能。

液态太阳能燃料,“装瓶可再生能源”和制造更环保化学品的战略。

08 Textile displays

纺织品展示

屏幕在我们的生活中无处不在。此外,据估计,我们 80% 的外部环境感知直接来自我们的眼睛,这使得视觉成为最重要和最复杂的感觉。现在,随着高速通信和连接设备(即物联网)的出现,研究人员开始探索纺织品展示领域。这些设备将改变我们的日常电子产品,以及我们与它们互动的方式,并促进新型可穿戴设备和智能织物的商业化。

传统上,可穿戴设备依赖于贴在织物和纺织品表面的薄膜显示器。纺织显示器的做法完全不同,其实和上面提到的纤维电池很相似。研究人员直接开发出能够发光的纤维,然后将它们交织在一起形成柔性织物作为显示器。这种策略解决了很多问题:一是增加了透气性,传统屏风会阻碍;其次,它使可穿戴设备更柔软,更接近实际的衣服;第三,纤维自由弯曲;变形对发射的影响不如薄膜屏幕。

研究人员研究了许多不同的材料来制造纺织品显示器。例如,有机发光二极管 (OLED)——通常是平面夹层结构——已被改造成同轴纤维。或者,聚合物发光二极管 (PLED) 增加了灵活性。使用的聚合物具有电致发光特性,并支持流行的生产工艺。由于一些将少量 OLED 与 PLED 结合在一起,因此出现了一种新的命名法来定义这些发光设备:光纤 LED (FLED)。复旦大学彭慧胜教授团队使用发光电化学电池,将阴极和阳极材料与电解质或粉末状发光材料(通常是硫化物盐)分散到纤维中。前者实现了颜色可调性等新颖性,而后者尽管亮度较低,但从生产的角度来看具有优势,因为允许使用传统的编织工艺,从而实现米长的纤维和高表面显示器(复旦大学彭慧胜/陈培宁团队今日《Nature》!)。

纺织品展示,用于柔性屏幕的基于纤维的发光二极管。

09 Rational vaccines with SNA

合理球形核酸疫苗

COVID-19 大流行强调了疫苗的重要性。事实上,IUPAC“十大”倡议也一再承认该领域新兴和成熟技术的价值,例如 mRNA 疫苗和核酸的可扩展合成。现在,在这一版中,我们的专家选出了疫苗学中另一个有趣的创新:球形核酸,通常简称为 SNA。最初于 1996 年开发,这些结构星状核酸链连接到不同种类的纳米结构。首先是金纳米粒子,但其他材料——二氧化硅、聚合物、蛋白质、胶束、MOF——紧随其后,提供了强大的多功能性。

SNA 的化学和生物学特性与线性核酸不同,即使它们共享相同的核苷酸串行。三维排列促进进入细胞,这发生得更快,数量更多。此外,这样的组织会产生单个组件单独缺乏的属性。事实上,初步研究表明,以前在临床试验中失败的治疗性抗原和佐剂在纳入纳米工程 SNA 治疗时可能会显示出增加的活性。

事实证明,SNA 疫苗可有效预防传染性病原体,例如 SARS-CoV-2,即导致 COVID-19 的冠状病毒。当受到致命剂量的病毒攻击时,先前接种过疫苗的小鼠存活下来,这证明了 SNA 产生良好免疫反应的保护潜力。值得注意的是,这种特殊的设计不需要刺突蛋白的整个结构来工作。覆盖有 DNA 的脂质体包裹了受体结合域的较小抗原,从而简化了此类疫苗的合成和适应性。此外,SNA 制剂在室温下保持稳定,这有助于在偏远地区获得疫苗,符合可持续发展目标。

球形核酸在癌症免疫疗法中也显示出前景,特别是针对黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一项研究中,用 SNA 疫苗治疗成功地消除了 30% 的小鼠的肿瘤,这推动了向人体临床试验的过渡。事实上,目前有六项人体临床试验测试 SNA 相关产品用于免疫治疗和基因调控。生物技术公司 Exicure 寻求 SNA 疗法的批准和商业化,并已开始与 Allergan、Dermelix 和 Ipsen 合作开发不同的药物。SNA 绝对是一项新兴技术,未来可能会改变我们应对疾病的方式。

带有 SNA 的合理疫苗,球形核酸重塑和重组疫苗技术。

10 VR-enable interactive modeling

VR 平台交互式建模

在元节之年,IUPAC“十大”涉足虚拟现实(VR)。通过虚拟空间,研究人员探索增强计算化学和分子动力学可能性的互动合作。由于这些与分子的创新相互作用,研究人员加强了他们的特殊推理,并提高了他们对量子化学的理解。

支持 VR 的平台不是通过键盘和鼠标与计算机交互,而是允许研究人员进入一个充满巨大分子的想象房间,并通过他们手中的同步无线控制器“触摸”它们。一旦进入那里,他们就会戳原子、移动它们、引入修饰和官能团——同时虚拟分子由外部计算机实时模拟和渲染。由于分子间相互作用本质上是三维的,因此在这些虚拟空间中工作可以提高我们对化学反应的理解。这种身临其境的体验,在手术室和动画工作室等其他环境中得到广泛应用,可加速结果并减少错误。使用 VR 时,化学家完成分子建模任务的速度比使用传统界面快十倍。

这一策略远非幻想,而是已经提供了现实生活中的结果。例如,VR 设置帮助研究人员有效地生成蛋白质-配体对接姿势,利用专家和非专家来探索不同的位置可能性。该模型致力于设计不同的抗病毒药物,其中包括用户“即时”实施的修改,因为他们确定了可以更好地结合蛋白质活性位点的原子和官能团。此外,研究人员使用类似的策略来设计针对 SARS-CoV-2 的主要靶标之一的抑制剂,一种称为 Mpro 的蛋白酶。所有这些研究都是在开源框架 Narupa 下运行的,该框架与市场上大多数商品 VR 设备一起运行。这些研究的另一个好处来自演示期间的全面数据收集。经过适当处理后,这些信息将指导机器学习算法和神经网络,它们比其他方法更准确地预测分子的特性。

VR 建模还为化学教育创造了新的可能性,符合 SDG 4 和 IUPAC 的核心价值观。学生在使用这些 VR 增强工具时的反馈,特别是一个名为 Manta 的进程,比传统技术要积极得多。由于对原子和分子的直接观察,学生对宏观和微观现象的理解似乎也是如此。此外,数字工具为远程教育开辟了可能性,从而使教师能够与几乎任何地方的任何人分享他们的课程,只要他们有互联网连接并可以访问 VR 集。

文章来源: 第一化学网
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