從2019年國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會（IUPAC）推出了“化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜單至今，五年已經(jīng)過去（點擊回顧：2019年榜單、2020年榜單、2021年榜單、2022年榜單）。今年的評選強調(diào)化學與其他科學領(lǐng)域之間的合作——化學不僅僅是一門“中心科學”，它還是一門“連接科學”。這種交叉合作誕生了引人關(guān)注的新興技術(shù)，涵蓋了從合成和聚合物化學到健康和人工智能的一系列領(lǐng)域，有望連接學術(shù)界和工業(yè)界，促進可持續(xù)發(fā)展，為當前世界所面臨的多重危機提供合適的解決方案。

以下是今年的“化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)”[1-3]：

• 可穿戴傳感器
• 光催化產(chǎn)氫
• 氯化物介導的海洋CO2去除
• 化學中的GPT語言模型
• 合成電化學
• 人造肌肉
• 噬菌體療法
• PET的生物回收
• 解聚
• 低糖疫苗接種

可穿戴傳感器

近年的新冠大流行加速了可穿戴傳感器（比如銷售火爆的便攜式血氧儀）的應(yīng)用。除了監(jiān)控健康和睡眠質(zhì)量，可穿戴傳感器還可實時提供與身體狀態(tài)相關(guān)的生理、生化和物化數(shù)據(jù)。它們可以檢測各種生物標志物，讓佩戴者可以更自由地了解各種健康指標，協(xié)助疾病的診斷和治療。光譜方法，如熒光、拉曼、阻抗和超聲波，被用于可穿戴傳感器，為測量方法增加了新的可能。此外，微針等創(chuàng)新也帶來了檢測生物標志物和直接按需給藥的機會。所有這些發(fā)展，再加上大數(shù)據(jù)和人工智能，為傳統(tǒng)臨床檢測提供了一種低成本、非侵入性的替代方案，有希望徹底改變醫(yī)療健康領(lǐng)域。

一種便攜式汗液分析裝置。圖片來源：Nature, 2016, 529, 509

光催化產(chǎn)氫

氫能本身無疑是清潔能源，但當今市場99%的氫仍然來自化石燃料。光催化分解水生產(chǎn)“綠氫”可能會改變可再生能源和燃料生產(chǎn)的游戲規(guī)則，在運輸、工業(yè)和能源儲存方面有潛在的應(yīng)用。要看到，研究人員仍在解決與反應(yīng)效率相關(guān)的挑戰(zhàn)，但規(guī)?；a(chǎn)還是有希望實現(xiàn)的，規(guī)模達100平方米的太陽光催化分解水制氫試驗性裝置已經(jīng)在運行中（Nature, 2021, 598, 304，點擊閱讀詳細）。此外，化學家和生物學家之間的合作也帶來了鼓舞人心的進展，他們利用酶和生物過程從可再生資源中產(chǎn)生清潔的氫。

100平方米的光催化水裂解反應(yīng)器單元及陣列。圖片來源：Nature, 2021, 598, 304

氯化物介導的海洋CO2去除

多年來，海洋一直是地球氣候危機的關(guān)鍵“緩沖帶”，吸收了很大一部分碳排放和多余的熱。然而，海洋的緩沖能力也并非無限，過量的二氧化碳正在酸化海水，損害海洋生態(tài)系統(tǒng)。幸運的是，化學家們已經(jīng)提出了一項新的技術(shù)，通過電化學方法使用氯化物循環(huán)從海水中去除多余的二氧化碳，無需昂貴設(shè)備，易于規(guī)模化（Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030）。初步研究表明，這種具有成本效益的除碳過程中，每噸二氧化碳的成本僅為56美元。

氯化物介導的電化學方法除去海水中CO2。圖片來源：Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030

化學中的GPT語言模型

像ChatGPT這樣的人工智能大語言模型可以徹底改變當前的化學研究和教育，其應(yīng)用包括蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測、反應(yīng)產(chǎn)量預測、路線設(shè)計，甚至機器人反應(yīng)器和分析的自動化。當然，這些大語言模型也帶來了不少問題，比如偽造研究論文和同行評議。盡管如此，ChatGPT模型在教育、文獻審閱和信息檢索方面具有很大的應(yīng)用潛力，可以為研究者騰出時間進行更具創(chuàng)造性和建設(shè)性的工作。

合成電化學

目前的化學工業(yè)中，電化學正在慢慢地重獲關(guān)注。改進的電化學工藝帶來了更高的效率，以及化學轉(zhuǎn)化中更優(yōu)的化學和區(qū)域選擇性。合成電化學最近在選擇性還原反應(yīng)、醚的合成、Birch反應(yīng)、碳氫鍵的氧化和氟化以及許多其他反應(yīng)中取得了不錯的進展。此外，創(chuàng)新的實驗設(shè)備提高了電合成的效率，簡化了操作，使得其他非電化學專業(yè)的實驗室也能更容易地進行電合成。該領(lǐng)域與綠色化學密切相關(guān)，具有高安全性、高可靠性和低能耗等關(guān)鍵優(yōu)勢，許多化工企業(yè)都在采用可持續(xù)的電合成工藝來降低成本和減少碳排放。

合成電化學。圖片來源：Acc. Chem. Res., 2020, 53, 72

人造肌肉

人造肌肉這一概念最早可以追溯到幾個世紀前Robert Hooke（就是提出胡克定律、發(fā)明顯微鏡的那位英國科學家）所提出的原始想法。近年來，人造肌肉獲得了巨大的發(fā)展，成為化學和材料科學的前沿，對機器人、假肢和醫(yī)療健康領(lǐng)域意義重大。這些人造纖維基于聚合物（電響應(yīng)彈性體）以及液晶，模仿肌肉中的肌球蛋白和肌動蛋白，能實現(xiàn)致動和運動等功能。人造肌肉應(yīng)用范圍廣泛，從下一代機器人到精準生物醫(yī)學設(shè)備，可在總體上提高患者的生活水平，并且在醫(yī)療健康領(lǐng)域以外也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

類似人類肌肉的人造肌纖維。圖片來源：Nat. Nanotechnol., 2022, 17, 1198

噬菌體療法

上個世紀，科學家就曾設(shè)想使用噬菌體對抗細菌感染，甚至在某些情況下對抗其他疾病。近年來，人們對將噬菌體用于疾病治療重燃興趣，也在多個領(lǐng)域做出了成績。例如，化學已經(jīng)成為增強噬菌體活性的關(guān)鍵，利用諸如封裝之類的技術(shù)來增加其穩(wěn)定性、可用性和藥物傳遞的靶向性。此外，噬菌體還在納米醫(yī)學、蛋白質(zhì)組學、超分子化學和材料科學方面帶來了不少新的發(fā)現(xiàn)。

PET的生物回收

塑料污染，是當今世界所面臨的最大問題之一。全球只有9%的塑料產(chǎn)品被妥善處理和回收?；瘜W可以幫助解決這個問題，這要歸功于各種塑料降解酶的發(fā)現(xiàn)。例如，法國的科學家重新設(shè)計了角質(zhì)酶LCC，基因改造后的酶不但可以高效降解聚對苯二甲酸乙二酯（PET），而且降解產(chǎn)物可以重新作為合成PET的原料，實現(xiàn)了完美的循環(huán)再利用（Nature, 2020, 580, 216， 點擊閱讀詳細）。值得一提的是，這些科學家并未止步于實驗室研究，而是創(chuàng)立公司并商業(yè)化這種新技術(shù)。他們正在考慮在2025年之前建立一個每年可回收5萬噸PET（相當于20億個飲料瓶）的工廠。

圖片來源：Carbios公司

解聚

這是今年針對塑料污染問題的第二項新興技術(shù)。解聚為各種化學回收和升級回收工藝打開了大門，幫助人們重新利用各種聚合物，包括PET、聚丙烯（PP）、聚酰胺和聚氨酯。相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)包括合理設(shè)計聚合物以及回收反應(yīng)，以再利用單體和塑料廢物，并將其轉(zhuǎn)化為有價值的資源。化學回收和升級回收過程可為循環(huán)經(jīng)濟鋪平道路，合理設(shè)計和減少添加劑使用可確保新生產(chǎn)的聚合物和塑料的安全性，并符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

低糖疫苗

了解聚糖和“糖組（glycome）”對于開發(fā)疫苗、治療疾病和推進生物醫(yī)學研究至關(guān)重要。“低糖”疫苗是一種目前尚處于研發(fā)早期的創(chuàng)新性技術(shù)，有望增強免疫反應(yīng)，徹底改變我們與病毒之間的斗爭形勢。值得一提的是，減少病毒蛋白的糖衣可暴露相關(guān)區(qū)域并引發(fā)更強的免疫反應(yīng)，在體外研究中已經(jīng)顯示出非凡的應(yīng)用前景。使用這種方法，我們可以制造出更強大、更有效的針對SARS-CoV-2、HIV和其他病毒的疫苗。一些生物技術(shù)公司和制藥公司正在考慮進行體內(nèi)和臨床研究，以促進其商業(yè)化。

參考資料：

1. IUPAC ANNOUNCES THE 2023 TOP TEN EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY

https://iupac.org/iupac-2023-top-ten/

2. IUPAC’s 2023 Top Ten Emerging Technologies in Chemistry. Chem. Int., 2023, 45, 14-22. DOI: 10.1515/ci-2023-0403

https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ci-2023-0403/html

3. IUPAC’S TOP 10 EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY

https://blog.degruyter.com/iupacs-top-10-emerging-technologies-in-chemistry/