2023化學領域十大新興技術發布
文章來源：中國化工報 更新時間：2023-11-30 11:52:07
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11月24日，在第五屆世界科技與發展論壇上，中國化學會副理事長、國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)執委會委員帥志剛正式發布了2023年度IUPAC化學領域十大新興技術。
2023年度化學領域十大新興技術分別為：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。
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，世界需要開發能夠幫助我們實現2030年可持續發展目標的技術。化學領域十大新興技術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發展方面的潛力。”
帥志剛表示，化學領域十大新興技術每年全球性提名、評選一次。今年的評選特別推動了跨學科合作，部分技術彌合了學術界與工業界之間的差距，并持續增強化學相關產業的競爭力。入選的技術都展示了科學家對未來可持續發展社會的構想和承諾。
“與此同時，我們也很高興看到不斷有中國化學家領銜的研究納入其中。今年入選的技術，如可穿戴傳感器技術、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。希望化學領域十大新興技術的遴選和發布能引起更加廣泛的來自中國科技界的關注、支持和參與。”帥志剛如是說。
另據介紹，2024年度IUPAC化學領域十大新興技術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遴選出具有巨大潛力的創新技術，以此來改變當前的全球化學與工業界格局，推動實現聯合國可持續發展目標。遴選出的新興技術被期待更好地提升人類生活和社會質量，有助于更合理、更高效地利用和轉換資源，為新材料、電池、傳感器和醫學等諸多應用領域提供可持續發展的解決方案。
2023年度化學領域十大新興技術簡介
可穿戴傳感器技術
在過去的幾年里，可穿戴設備經歷了前所未有的崛起，徹底改變了我們與這一技術間的互動方式。通常，可穿戴設備可以獲取健身數據、睡眠模式，并實現無縫通信和導航。
化學傳感為可穿戴技術增加了更多有價值的信息，實時監測化學與生物信號和物理刺激，具有高靈敏度，且成本低廉。結合大數據和機器學習，由可穿戴化學傳感器提供關鍵診療信息，已成為一種低成本、非侵入性的替代方案，用于傳統的臨床試驗。傳統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勢是可擴展性，提供耐久性和實用性的安全系統。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，該領域發表論文和專利數量正在呈指數增長，彰顯了其蓬勃發展的姿態。
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。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，多余的二氧化碳也可以轉化為一種具有經濟價值的碳資源。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)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，大多數電化學二氧化碳去除系統都依賴于雙極膜電滲析技術，但這項技術面臨兩個重要的挑戰：成本投入高;可能發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、泵和氣體分離系統即可實現，該方法捕集的二氧化碳成本僅為56美元/噸，既經濟實惠又易于工程放大。盡管這一新興技術尚處于研發初期，但它的出現無疑將為減少和逆轉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)的發布，例如旨在同時理解和生成對話OpenAI的ChatGPT。經過大量數據的細致訓練之后，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 的流行同樣激發了科學界的興趣和關注。
目前，語言模型已經成功地用于化學應用。ChatGPT和其他算法分析顯微鏡圖像、預測蛋白質結構，直至估計反應產率——可能性是無窮的。一種名為“ChemCrow”的新穎工具充分利用了LLMs，可以完成包括規劃合成路線、控制機器人反應平臺、自動化分析等任務。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品，例如爆炸物、化學武器和受控物質。
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生優勢，簡化文獻綜述、信息搜索等任務。
合成電化學
電子交換驅動化學反應。合成電化學由于具備諸如更高水平的化學和區域選擇性的好處，正在經歷復興。現在，電化學使得各種轉化都成為可能——例如合成醚、Birch 還原反應、碳-氫鍵的氧化和氟化等。最近，研究人員在該領域取得了另一項突破——通過交流電技術，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，并具有幾個關鍵方面的共同點，包括高水平的安全性、可靠性、原子經濟性和低能耗。這些標準簡化了工業化過程，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關鍵產品和中間體。與可再生電力相結合，電化學作為有機合成的可持續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展才使其真正成為可能。一些前沿方案安全地通過了體內研究，展示出該領域的巨大潛力。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。此外，人造肌肉已經徹底改變了機器人技術，為假肢、外骨骼和生物醫學設備(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。
噬菌體療法
噬菌體的發現發生在 20 世紀初，由 Frederick Twort 在 1915 年和 Félix d'Hérelle 在 1917年同時獨立發現。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，噬菌體領域經歷了一次復興，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，并激發在藥物發現、診斷和材料科學中的應用。噬菌體還在新型納米醫學應用中發揮作用，包括研究蛋白質相互作用。最后，噬菌體已經成為超分子化學極其通用的平臺，在化學、材料科學和醫學尖端領域發揮作用。噬菌體形成了無機納米結構、誘導干細胞分化的平臺、檢測了疾病生物標志物，并且被構建成為組織再生等應用的結構支架。噬菌體的重新發現不僅可以創造對抗所謂“超級細菌”的創新方式，而且也可以刺激超分子化學和生物材料領域令人興奮的發現。
PET的生物回收
塑料污染是一個持久的問題。化學為可持續性發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品的新模式。發現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;而定向進化的發展，進一步拓展了這個領域的前景。
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)并將其轉化為聚合單體的酶。傳統的PET回收技術會導致機械性能逐漸降低。然而，通過進化的酶最終能生產出與石油基PET具有相同性質的PET。好消息是商業化即將到來。法國綠色化學公司Carbios正在建造一家工廠，將在2025年前實施這項創新技術，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化為有價值的資源提供有趣的思路。化學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，以實現回收利用。一些初創公司和企業已經成功地為各種廢棄產品((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。
為實現更有效的解聚要優先考慮兩個方面，包括聚合物和大分子結構的合理設計，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回收、產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。另一種有吸引力的替代方案是微波輔助的解聚，這種方法已經放大到PET的回收。近期，瑞士的Gr3n公司宣布，將在2027年開設一個新工廠，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計制造出安全和可持續的聚合物和塑料。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，包括經濟、碳排放和產品壽命等因素。
“低糖”疫苗
糖類——即寡糖和多糖——覆蓋了大多數的生物結構，包括核酸、脂質、蛋白質以及細胞。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”對于開發疫苗、研究疾病和推進生物醫學研究直關重要。
糖在研發用于治療SARS-CoV-2((引發 COVID-19 的病毒)的疫苗和治療方法中起著關鍵作用。研究人員證明，糖類在刺突蛋白的識別過程中起到了關鍵作用，使得感染更為高效。而最近，另一項與糖化學有關的進展為研制更好、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域暴露，這就引發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勢，然而，還需要進一步的研究來證實體內的結果，然后由臨床試驗進一步評估。
盡管這項技術還處于非常早期的階段，但一些生物技術和制藥公司已經取得了進一步開發和商業化這個想法的協議。
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