从2019年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）推出了“化学领域十大新兴技术（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜单至今，五年已经过去（点击回顾：2019年榜单、2020年榜单、2021年榜单、2022年榜单）。今年的评选强调化学与其他科学领域之间的合作——化学不仅仅是一门“中心科学”，它还是一门“连接科学”。这种交叉合作诞生了引人关注的新兴技术，涵盖了从合成和聚合物化学到健康和人工智能的一系列领域，有望连接学术界和工业界，促进可持续发展，为当前世界所面临的多重危机提供合适的解决方案。
以下是今年的“化学领域十大新兴技术”[1-3]：
- 可穿戴传感器
- 光催化产氢
- 氯化物介导的海洋CO2去除
- 化学中的GPT语言模型
- 合成电化学
- 人造肌肉
- 噬菌体疗法
- PET的生物回收
- 解聚
- 低糖疫苗接种
可穿戴传感器
近年的新冠大流行加速了可穿戴传感器（比如销售火爆的便携式血氧仪）的应用。除了监控健康和睡眠质量，可穿戴传感器还可实时提供与身体状态相关的生理、生化和物化数据。它们可以检测各种生物标志物，让佩戴者可以更自由地了解各种健康指标，协助疾病的诊断和治疗。光谱方法，如荧光、拉曼、阻抗和超声波，被用于可穿戴传感器，为测量方法增加了新的可能。此外，微针等创新也带来了检测生物标志物和直接按需给药的机会。所有这些发展，再加上大数据和人工智能，为传统临床检测提供了一种低成本、非侵入性的替代方案，有希望彻底改变医疗健康领域。
一种便携式汗液分析装置。图片来源：Nature, 2016, 529, 509
光催化产氢
氢能本身无疑是清洁能源，但当今市场99%的氢仍然来自化石燃料。光催化分解水生产“绿氢”可能会改变可再生能源和燃料生产的游戏规则，在运输、工业和能源储存方面有潜在的应用。要看到，研究人员仍在解决与反应效率相关的挑战，但规模化生产还是有希望实现的，规模达100平方米的太阳光催化分解水制氢试验性装置已经在运行中（Nature, 2021, 598, 304，点击阅读详细）。此外，化学家和生物学家之间的合作也带来了鼓舞人心的进展，他们利用酶和生物过程从可再生资源中产生清洁的氢。
100平方米的光催化水裂解反应器单元及阵列。图片来源：Nature, 2021, 598, 304
氯化物介导的海洋CO2去除
多年来，海洋一直是地球气候危机的关键“缓冲带”，吸收了很大一部分碳排放和多余的热。然而，海洋的缓冲能力也并非无限，过量的二氧化碳正在酸化海水，损害海洋生态系统。幸运的是，化学家们已经提出了一项新的技术，通过电化学方法使用氯化物循环从海水中去除多余的二氧化碳，无需昂贵设备，易于规模化（Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030）。初步研究表明，这种具有成本效益的除碳过程中，每吨二氧化碳的成本仅为56美元。
氯化物介导的电化学方法除去海水中CO2。图片来源：Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030
化学中的GPT语言模型
像ChatGPT这样的人工智能大语言模型可以彻底改变当前的化学研究和教育，其应用包括蛋白质结构预测、反应产量预测、路线设计，甚至机器人反应器和分析的自动化。当然，这些大语言模型也带来了不少问题，比如伪造研究论文和同行评议。尽管如此，ChatGPT模型在教育、文献审阅和信息检索方面具有很大的应用潜力，可以为研究者腾出时间进行更具创造性和建设性的工作。
合成电化学
目前的化学工业中，电化学正在慢慢地重获关注。改进的电化学工艺带来了更高的效率，以及化学转化中更优的化学和区域选择性。合成电化学最近在选择性还原反应、醚的合成、Birch反应、碳氢键的氧化和氟化以及许多其他反应中取得了不错的进展。此外，创新的实验设备提高了电合成的效率，简化了操作，使得其他非电化学专业的实验室也能更容易地进行电合成。该领域与绿色化学密切相关，具有高安全性、高可靠性和低能耗等关键优势，许多化工企业都在采用可持续的电合成工艺来降低成本和减少碳排放。
合成电化学。图片来源：Acc. Chem. Res., 2020, 53, 72
人造肌肉
人造肌肉这一概念最早可以追溯到几个世纪前Robert Hooke（就是提出胡克定律、发明显微镜的那位英国科学家）所提出的原始想法。近年来，人造肌肉获得了巨大的发展，成为化学和材料科学的前沿，对机器人、假肢和医疗健康领域意义重大。这些人造纤维基于聚合物（电响应弹性体）以及液晶，模仿肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白，能实现致动和运动等功能。人造肌肉应用范围广泛，从下一代机器人到精准生物医学设备，可在总体上提高患者的生活水平，并且在医疗健康领域以外也表现出巨大的应用潜力。
类似人类肌肉的人造肌纤维。图片来源：Nat. Nanotechnol., 2022, 17, 1198
噬菌体疗法
上个世纪，科学家就曾设想使用噬菌体对抗细菌感染，甚至在某些情况下对抗其他疾病。近年来，人们对将噬菌体用于疾病治疗重燃兴趣，也在多个领域做出了成绩。例如，化学已经成为增强噬菌体活性的关键，利用诸如封装之类的技术来增加其稳定性、可用性和药物传递的靶向性。此外，噬菌体还在纳米医学、蛋白质组学、超分子化学和材料科学方面带来了不少新的发现。
PET的生物回收
塑料污染，是当今世界所面临的最大问题之一。全球只有9%的塑料产品被妥善处理和回收。化学可以帮助解决这个问题，这要归功于各种塑料降解酶的发现。例如，法国的科学家重新设计了角质酶LCC，基因改造后的酶不但可以高效降解聚对苯二甲酸乙二酯（PET），而且降解产物可以重新作为合成PET的原料，实现了完美的循环再利用（Nature, 2020, 580, 216， 点击阅读详细）。值得一提的是，这些科学家并未止步于实验室研究，而是创立公司并商业化这种新技术。他们正在考虑在2025年之前建立一个每年可回收5万吨PET（相当于20亿个饮料瓶）的工厂。
图片来源：Carbios公司
解聚
这是今年针对塑料污染问题的第二项新兴技术。解聚为各种化学回收和升级回收工艺打开了大门，帮助人们重新利用各种聚合物，包括PET、聚丙烯（PP）、聚酰胺和聚氨酯。相关创新技术包括合理设计聚合物以及回收反应，以再利用单体和塑料废物，并将其转化为有价值的资源。化学回收和升级回收过程可为循环经济铺平道路，合理设计和减少添加剂使用可确保新生产的聚合物和塑料的安全性，并符合可持续发展的要求。
低糖疫苗
了解聚糖和“糖组（glycome）”对于开发疫苗、治疗疾病和推进生物医学研究至关重要。“低糖”疫苗是一种目前尚处于研发早期的创新性技术，有望增强免疫反应，彻底改变我们与病毒之间的斗争形势。值得一提的是，减少病毒蛋白的糖衣可暴露相关区域并引发更强的免疫反应，在体外研究中已经显示出非凡的应用前景。使用这种方法，我们可以制造出更强大、更有效的针对SARS-CoV-2、HIV和其他病毒的疫苗。一些生物技术公司和制药公司正在考虑进行体内和临床研究，以促进其商业化。
参考资料：
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/
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