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近日，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）公布了“2022年度化學領域十大新興技術(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名單。詳細介紹如下：

01 Sodium-ion batteries

鈉離子電池

鈉離子電池（NIB 或 SIB）是一種可充電電池，類似于鋰離子電池，但使用鈉離子 作為電荷載體。它的工作原理和電池結構與商業上廣泛使用的鋰離子電池類型幾乎相同，但使用的是鈉化合物而不是鋰化合物。

鈉離子電池正在成為現有鋰電池技術的潛在替代品，因為世界將面臨后者資源的減少。此外，與鋰相比，鈉的低成本是考慮鈉作為未來替代電池技術的一個有希望的因素。由于 SIB 使用豐富且廉價的材料（如鈉代替鋰，鋁代替銅），因此預計它們會比 LIB 便宜。此外，SIBs 對環境的影響很小。盡管 SIB 比 LIB 重，但它們更適用于重量和體積不太重要的固定式儲能系統。

我們需要更好、更實惠的電池。鈉離子電池是一種豐富且價格合理的鋰替代品。

02 Nanozyme

納米酶

納米技術是開發 COVID-19 疫苗的關鍵。納米世界在醫療保健和生物醫學領域的可能性已變得顯而易見，許多其他技術也引起了研究人員和 IUPAC 專家的關注。其中有納米酶，具有天然酶特性的納米材料，以及一些補充特性。由于納米酶是人造的，并且是在實驗室按需設計的，因此它們在穩定性、可回收性和成本方面具有多種優勢。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩定的儲存。

納米酶領域大約在 20 年前出現。2004 年，意大利研究人員將金納米粒子功能化以催化磷酸化反應，幾年后，中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士團隊發現某些納米粒子自然表現出類似酶的活性（Nature Nanotech, 2007, 2, 577–583 ）。這兩件事都引發了一個全新領域的指數級增長，此后取得了非常重大的進展，包括在美國、歐洲和亞洲的一些開創性商業企業。納米酶的另一個優勢來自定制的可能性。化學家附加各種分子來修飾納米酶的特性，使其超越經典的催化能力。納米世界在表面積方面提供了獨特的可能性，并允許多功能化——應用于生物分析、診斷、治療、傳感、水處理等等。納米酶領域最具吸引力的方法之一是開發新型即時診斷技術，有可能滿足世界衛生組織 (WHO) 的最關鍵呼吁。對于 WHO，床旁設備應符合 ASSURED 標準——經濟實惠、敏感、具體、用戶友好、快速、無設備和交付。納米酶可以為許多不同的測試技術提供這些特性，包括電化學、熒光、比色和免疫分析。此外，它們確保了小型化和長期穩定性，與當前最先進的技術相比，這兩項都是重要的改進。此外，納米酶已顯示出良好的生物兼容性，可確保安全集成到醫療保健應用中，包括生物成像和病原體檢測。

此外，納米酶已在治療中找到用途，主要是因為它們催化消除與衰老、炎癥、不孕癥、神經退行性疾病和癌癥有關的活性氧和氮。在一些初步研究中，納米酶已顯示出針對所有這些問題的保護特性，并且還促進了干細胞的生長，這對組織工程和其他療法很有用。除了生物醫學，納米酶已成為水處理和去除污染的有用解決方案，符合聯合國可持續發展目標 6、14 和 15，所有這些都與清潔環境有關。這種特殊應用的一個有趣方面是鐵基納米酶的可回收性，這源于它們的磁性。凈化污染介質后，很容易用磁鐵從溶液中提取納米酶，用于后續處理和再利用。研究人員還設計了基于金、鈰、鉑和汞納米酶的邏輯門——所有這些都可以促進計算機的小型化。通過解決天然和人造酶的一些問題，并提供一些有前途的新特性，納米酶很快就會成為許多不同應用中有吸引力的替代品。

納米酶是一種結合自然和人工催化的力量，它在穩定性、可回收性和成本方面具有多種優勢。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩定的儲存。

03 Aerogels

氣凝膠

氣凝膠是一類由凝膠衍生的合成多孔超輕材料，其中凝膠的液體成分已被氣體取代，凝膠結構沒有明顯塌陷，形成具有極低密度和極低熱導率的固體。氣凝膠可以由多種化合物制成，例如二氧化硅氣凝膠摸起來像易碎的膨脹聚苯乙烯，而一些基于聚合物的氣凝膠摸起來像硬質泡沫。

氣凝膠是通過超臨界干燥或冷凍干燥提取凝膠的液體成分來生產的。這允許液體緩慢干燥，而不會導致凝膠中的固體基質因毛細作用而像傳統蒸發會發生的塌陷。氣凝膠結構源于溶膠-凝膠聚合，即單體（簡單分子）與其他單體反應形成溶膠或由鍵合、交聯的大分子組成的物質，其中有液體溶液的沉積物。當材料被嚴格加熱時，液體會蒸發，留下鍵合、交聯的高分子框架。聚合和臨界加熱的結果是產生了一種具有多孔強結構的材料，被歸類為氣凝膠。合成的變化可以改變氣凝膠的表面積和孔徑。孔徑越小，氣凝膠越容易破裂。

氣凝膠是已知的最輕的固體之一，但是基于聚合物的氣凝膠具有很高的強度和抗撕裂性。另一個關鍵特性來自它們的低密度和孔隙率——它們是非常好的熱絕緣體，因此在航空航天技術中發現了許多有趣的應用。事實上，NASA 依靠一個專門的研究團隊來研究這類材料，并且已經在他們的火星探測器和其他航天器中測試了其中一些材料作為絕熱體。氣凝膠提供出色的隔熱效果，其厚度僅為傳統絕緣材料的一半。

也許不足為奇的是，這樣的空間技術導致了氣凝膠更多的實際應用。許多項目與 IYBSSD 和可持續發展目標的目標一致——包括高效催化劑、超級電容器、藥物輸送系統和水凈化。后者——以及其他在環境修復中的應用——已被廣泛探索并顯示出巨大的前景。特別是，氣凝膠成功地去除了污染物，例如空氣中的揮發性有機化合物 (VOC) 以及水中的有毒物質。通過不同的工藝，化學家定制氣凝膠的表面以改變它們的吸附能力，并調整它們的選擇性。最具吸引力的應用包括去除廢水中的重金屬離子以及有效清潔和處理溢油。此外，一些研究人員建議使用氣凝膠的巨大表面積來解決我們這一代最具挑戰性的環境問題之一——大氣中二氧化碳的高濃度。它們在容量和工作溫度方面與沸石和金屬有機骨架 (MOF) 等其他多孔材料競爭，因此一些吸附氣凝膠已經為此目的商業化。

此外，氣凝膠表面的可調節性導致在生物醫學技術和傳感方面的突破性應用。而且這種組合更有趣。例如，氣凝膠的生物兼容性可能導致植入式設備監測生理常數。生物兼容性和生物降解性已經引發了能源生產和儲存的用途，提供了比其他可用替代品更環保的解決方案。氣凝膠由葡萄糖、纖維素、石墨烯和其他環保材料制成，改善了電池、超級電容器甚至柔性電子產品的性能。但也許最有趣的應用再次來自氣凝膠的熱特性。不同的研究已經證明了氣凝膠如何提高太陽能熱電廠的效率，即。能量收集平臺，將太陽的熱量集中起來產生蒸汽、移動渦輪機和發電。因此，氣凝膠還為應對持續的能源危機提供了有趣的工具。

氣凝膠是最輕的隔熱材料，為應對持續的能源危機提供了有趣的工具。

04 Film-based fluorescent sensors

薄膜熒光傳感器

熒光是化學和生物傳感的基本工具，主要是由于其靈敏度和選擇性。由于其可調諧性和多功能性，基于薄膜的熒光傳感器已成為一種廣泛使用的工具。在這些設備中，熒光分子被固定在合適的表面上，形成對外部刺激起反應的 2D 或 3D 薄膜。一個優點是便攜性。基于薄膜的熒光傳感器的尺寸不到一厘米，這使得分析工具可以小型化。基于薄膜的熒光傳感器除了體積小之外還具有有趣的特性，例如功率效率和易于操作。在過去的幾年里，陜西師范大學房喻院士團隊已經開發出不同的基于薄膜的熒光傳感器來檢測不同的物種，特別是氨、NOx 和 VOC 等污染氣體。此外，這些薄膜還可以檢測更復雜的化學物質，包括殺蟲劑、神經毒劑和三硝基甲苯 (TNT) 等爆炸物（Mol. Syst. Des. Eng., 2016,1, 242-257）。

最近，陜西師范大學房喻院士團隊研究人員設計了一種基于薄膜熒光傳感器的“化學鼻”，以極高的靈敏度檢測尼古丁（Chem. Commun., 2019,55, 12679-12682）。這些結果暗示了基于薄膜的熒光傳感器在環境修復應用中的巨大可能性，因為它們可以在不同污染物的檢測、識別和量化中發揮關鍵作用。最近，研究人員已經證明了基于薄膜的熒光傳感器檢測病原體的潛力，特別是食源性李斯特菌，這是許多食物中毒病例背后的致命細菌（Aggregate 2022, e203）。所有這些，再加上紫外線激光技術的最新進展，可能會導致污染檢測設備和生物醫學設備的小型化，在部署互連監控網絡（例如通過物聯網）和應用可穿戴電子產品和便攜式傳感器領域。

基于薄膜的熒光傳感器擁有微型探測器的可調諧、多功能替代方案。

05 Nanoparticle mega libraries

巨型納米粒子圖書館

巨型圖書館和一種名為 ARES 的基于原位拉曼光譜的篩選技術幫助研究人員確定了一種新的金銅催化劑。它可用作合成由碳制成的單壁納米管的催化劑。美國研究人員表示，他們已經開發出一種生產 65,000 多種復雜納米粒子的方法，每種納米粒子包含多達六種不同的材料和八個片段，其界面可用于電氣或光學應用。每根長約 55 納米，寬約 20 納米：相比之下，人類頭發的厚度約為 100,000 納米。“納米科學界對制造結合了幾種不同材料——半導體、催化劑、磁體、電子材料的納米顆粒非常感興趣，”賓夕法尼亞州立大學團隊負責人 Raymond E Schaak 說。“你可以考慮將不同的半導體連接在一起，以控制電子如何穿過材料，或者以不同的方式排列材料來改變它們的光學、催化或磁性。Schaak 及其同事采用由銅和硫組成的簡單納米棒，然后使用稱為陽離子交換的過程用其他金屬順序替換一些銅。通過改變反應條件，他們可以控制納米棒中銅被替換的位置（一端、兩端同時或中間）。他們用其他金屬重復了這個過程，這些金屬也可以放置在納米棒內的精確位置。通過與幾種不同的金屬進行多達七次連續反應，他們可以創造出彩虹般的粒子——超過 65,000 種金屬硫化物材料的組合是可能的。

多年來，大數據和高通量篩選推動了新化學品的發現。納米粒子巨型圖書館以某種方式將這些技術轉化為材料世界。通過創建具有數百萬個組成和結構各不相同的納米粒子的陣列，科學家們設計了一種強大的工具來個性化特性和應用。

研究人員使用稱為聚合物筆光刻的納米顆粒沉積技術構建這些巨型圖書館。不同的金屬鹽溶解在聚合物墨水中，然后使用數千個微小的軟尖端小心地將其沉積在表面上——力和壓力決定了液滴的大小，從而決定了顆粒的大小。之后，加熱消除聚合物并減少鹽，使金屬納米顆粒準備好催化化學反應。它相當于制造數百萬個微型反應器，濃縮在一張簡單的顯微鏡載玻片上（Science 2008, 321 (5896), 1658）。

納米粒子巨型圖書館，高通量合成篩選到達納米世界。

06 Fiber batteries

纖維電池

如前所述，世界需要更好的電池來應對能源危機。使用當前技術有效地儲存能量是非常困難的。事實上，根據美國能源信息署的估計，使用電池供電的家用電器將使您的電費增加三倍并占用大量空間。纖維電池提供了另一種有趣的解決方案，同時在可穿戴電子產品領域開辟了可能性。

纖維電池的配置與傳統的替代品完全不同，通常基于堆疊的電極和組件——很像意大利化學家亞歷山德羅·沃爾塔的原始設計。相反，纖維電池呈現出幾乎一維的設計，以纏繞的電線作為電極。該結構受到聚合物涂層的保護，聚合物涂層也將電解質密封在電池內。類似地，這種設計的修改版本產生了超級電容器——一種能夠快速提供電荷的儲能解決方案，例如在攝影閃光燈中。總體而言，纖維電池與其他解決方案相比具有一系列優勢；它們靈活、堅固且安全。此外，編織纖維可制成電池“織物”，適用于許多不同的形狀和應用。一些研究表明，電池織物柔軟且透氣，因此非常適合可穿戴電子產品的應用。它們似乎還可以承受洗滌，而不會損失任何能量密度。其他方法，例如熱拉法，允許用電活性凝膠制造纖維電池，同時電極得到柔性防水包層的保護。這種策略已經實現了長達 140 米的纖維的連續生產，并展示了類似的放電能力。

最近，復旦大學彭慧勝教授課題組開發了基于鋰離子技術生產高性能編織纖維電池的新方法。這些設備的能量密度比第一個纖維電池原型好八十倍；此外，它們在五百次充電循環后仍保留 90% 的容量，這與大多數商用電池相當。在概念驗證應用中，科學家們研究了為智能手機無線充電的可能性，以及將編織電池與紡織品顯示器和交互式夾克集成在一起，用于監測不同的身體常數。該工藝還具有可擴展性，因為它經過優化，可與標準工業設備配合使用，包括紡織工業中廣泛使用的機械，如劍桿織機。在理想情況下，電池的成本可能低于每米 0.05 美元（相關報道：不到半年，復旦大學彭慧勝團隊再發Nature！）。三星和華為等公司正在研究纖維電池的潛力，預計該市場將與可穿戴設備和印刷電子產品等產品一起增長。

纖維電池，一種新的儲能形式，為可穿戴設備做好準備。

07 Liquid solar fuel synthesis

生產液態太陽能

植物利用光合作用將二氧化碳和陽光轉化為葡萄糖。同樣，化學家創造了“人工光合作用”來模擬這一過程，并生產出富含能量的物質，并用作燃料。通常，研究人員會尋找碳基分子，例如醇類和低分子量碳氫化合物，以用污染較少的替代品替代無處不在的石油衍生燃料。然而，一些分類還包括氫、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——主要是太陽能和風能。像電池一樣，太陽能燃料提供了儲存間歇性能量的新機會。這就是為什幺一些專家稱這種策略為“裝瓶可再生能源”。

光催化也提供了巨大的機會。通過直接使用陽光來激活和加速反應，化學家可以節省步驟并簡化整個過程。許多人認為光催化是將太陽能轉化為能源豐富的產品（如燃料）的理想方法。目前，世界各地的許多團體都在努力解決這一過程中的問題。即使是植物，經過數十億年的進化，也只能管理最高 4% 的能量轉換效率。其中一些解決方案來自將人造催化劑與天然結構（例如酶甚至細菌）配對。除其他優點外，這些耦合系統提供了獲取有趣的商品化學品的途徑，例如乙酸。其他團體夢想在夜間工作的光催化過程，并將催化劑連接到電容器和電池，它們在照明期間儲存能量并在晚上開始釋放能量。“持久光催化”的概念可以減少間歇性，提高過程的性能。

液態太陽能燃料，“裝瓶可再生能源”和制造更環保化學品的戰略。

08 Textile displays

紡織品展示

屏幕在我們的生活中無處不在。此外，據估計，我們 80% 的外部環境感知直接來自我們的眼睛，這使得視覺成為最重要和最復雜的感覺。現在，隨著高速通信和連接設備（即物聯網）的出現，研究人員開始探索紡織品展示領域。這些設備將改變我們的日常電子產品，以及我們與它們互動的方式，并促進新型可穿戴設備和智能織物的商業化。

傳統上，可穿戴設備依賴于貼在織物和紡織品表面的薄膜顯示器。紡織顯示器的做法完全不同，其實和上面提到的纖維電池很相似。研究人員直接開發出能夠發光的纖維，然后將它們交織在一起形成柔性織物作為顯示器。這種策略解決了很多問題：一是增加了透氣性，傳統屏風會阻礙；其次，它使可穿戴設備更柔軟，更接近實際的衣服；第三，纖維自由彎曲；變形對發射的影響不如薄膜屏幕。

研究人員研究了許多不同的材料來制造紡織品顯示器。例如，有機發光二極管 (OLED)——通常是平面夾層結構——已被改造成同軸纖維。或者，聚合物發光二極管 (PLED) 增加了靈活性。使用的聚合物具有電致發光特性，并支持流行的生產工藝。由于一些將少量 OLED 與 PLED 結合在一起，因此出現了一種新的命名法來定義這些發光設備：光纖 LED (FLED)。復旦大學彭慧勝教授團隊使用發光電化學電池，將陰極和陽極材料與電解質或粉末狀發光材料（通常是硫化物鹽）分散到纖維中。前者實現了顏色可調性等新穎性，而后者盡管亮度較低，但從生產的角度來看具有優勢，因為允許使用傳統的編織工藝，從而實現米長的纖維和高表面顯示器(復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊今日《Nature》！)。

紡織品展示，用于柔性屏幕的基于纖維的發光二極管。

09 Rational vaccines with SNA

合理球形核酸疫苗

COVID-19 大流行強調了疫苗的重要性。事實上，IUPAC“十大”倡議也一再承認該領域新興和成熟技術的價值，例如 mRNA 疫苗和核酸的可擴展合成。現在，在這一版中，我們的專家選出了疫苗學中另一個有趣的創新：球形核酸，通常簡稱為 SNA。最初于 1996 年開發，這些結構星狀核酸鏈連接到不同種類的納米結構。首先是金納米粒子，但其他材料——二氧化硅、聚合物、蛋白質、膠束、MOF——緊隨其后，提供了強大的多功能性。

SNA 的化學和生物學特性與線性核酸不同，即使它們共享相同的核苷酸串行。三維排列促進進入細胞，這發生得更快，數量更多。此外，這樣的組織會產生單個組件單獨缺乏的屬性。事實上，初步研究表明，以前在臨床試驗中失敗的治療性抗原和佐劑在納入納米工程 SNA 治療時可能會顯示出增加的活性。

事實證明，SNA 疫苗可有效預防傳染性病原體，例如 SARS-CoV-2，即導致 COVID-19 的冠狀病毒。當受到致命劑量的病毒攻擊時，先前接種過疫苗的小鼠存活下來，這證明了 SNA 產生良好免疫反應的保護潛力。值得注意的是，這種特殊的設計不需要刺突蛋白的整個結構來工作。覆蓋有 DNA 的脂質體包裹了受體結合域的較小抗原，從而簡化了此類疫苗的合成和適應性。此外，SNA 制劑在室溫下保持穩定，這有助于在偏遠地區獲得疫苗，符合可持續發展目標。

球形核酸在癌癥免疫療法中也顯示出前景，特別是針對黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一項研究中，用 SNA 疫苗治療成功地消除了 30% 的小鼠的腫瘤，這推動了向人體臨床試驗的過渡。事實上，目前有六項人體臨床試驗測試 SNA 相關產品用于免疫治療和基因調控。生物技術公司 Exicure 尋求 SNA 療法的批準和商業化，并已開始與 Allergan、Dermelix 和 Ipsen 合作開發不同的藥物。SNA 絕對是一項新興技術，未來可能會改變我們應對疾病的方式。

帶有 SNA 的合理疫苗，球形核酸重塑和重組疫苗技術。

10 VR-enable interactive modeling

VR 平臺交互式建模

在元節之年，IUPAC“十大”涉足虛擬現實（VR）。通過虛擬空間，研究人員探索增強計算化學和分子動力學可能性的互動合作。由于這些與分子的創新相互作用，研究人員加強了他們的特殊推理，并提高了他們對量子化學的理解。

支持 VR 的平臺不是通過鍵盤和鼠標與計算機交互，而是允許研究人員進入一個充滿巨大分子的想象房間，并通過他們手中的同步無線控制器“觸摸”它們。一旦進入那里，他們就會戳原子、移動它們、引入修飾和官能團——同時虛擬分子由外部計算機實時模擬和渲染。由于分子間相互作用本質上是三維的，因此在這些虛擬空間中工作可以提高我們對化學反應的理解。這種身臨其境的體驗，在手術室和動畫工作室等其他環境中得到廣泛應用，可加速結果并減少錯誤。使用 VR 時，化學家完成分子建模任務的速度比使用傳統界面快十倍。

這一策略遠非幻想，而是已經提供了現實生活中的結果。例如，VR 設置幫助研究人員有效地生成蛋白質-配體對接姿勢，利用專家和非專家來探索不同的位置可能性。該模型致力于設計不同的抗病毒藥物，其中包括用戶“即時”實施的修改，因為他們確定了可以更好地結合蛋白質活性位點的原子和官能團。此外，研究人員使用類似的策略來設計針對 SARS-CoV-2 的主要靶標之一的抑制劑，一種稱為 Mpro 的蛋白酶。所有這些研究都是在開源框架 Narupa 下運行的，該框架與市場上大多數商品 VR 設備一起運行。這些研究的另一個好處來自演示期間的全面數據收集。經過適當處理后，這些信息將指導機器學習算法和神經網絡，它們比其他方法更準確地預測分子的特性。

VR 建模還為化學教育創造了新的可能性，符合 SDG 4 和 IUPAC 的核心價值觀。學生在使用這些 VR 增強工具時的反饋，特別是一個名為 Manta 的進程，比傳統技術要積極得多。由于對原子和分子的直接觀察，學生對宏觀和微觀現象的理解似乎也是如此。此外，數字工具為遠程教育開辟了可能性，從而使教師能夠與幾乎任何地方的任何人分享他們的課程，只要他們有互聯網連接并可以訪問 VR 集。