近日，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）推出了“2022化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜單。所謂新興技術(shù)，IUPAC認(rèn)為就是那些介于實(shí)驗(yàn)性發(fā)現(xiàn)和完全商業(yè)化之間的變革性創(chuàng)新技術(shù)，在化學(xué)、可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域具有創(chuàng)造新機(jī)會(huì)的巨大潛力。看看今年又有哪些上榜，一睹為快。

（1）氣凝膠——不只是最輕的隔熱材料

低密度和多孔的氣凝膠具有很好的隔熱性能，因此在航空航天技術(shù)中有許多應(yīng)用。美國(guó)宇航局已經(jīng)在火星探測(cè)車和其他航天器上測(cè)試了一些作為隔熱材料的氣凝膠。此外，氣凝膠還有更多的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，其中許多與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)相一致，包括高效催化劑、超級(jí)電容器、藥物輸送系統(tǒng)和水凈化。

特別值得關(guān)注的是，氣凝膠可用于去除污染物，如空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、溫室氣體（如二氧化碳）以及水中的有毒物質(zhì)（重金屬離子、石油泄漏等），以凈化空氣及水源。通過(guò)不同的工藝，化學(xué)家們可以調(diào)整氣凝膠的表面以改變其吸附能力，調(diào)整其選擇性，并已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和傳感領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性的應(yīng)用。

氣凝膠可由葡萄糖、纖維素、石墨烯和其他環(huán)保材料制成，已被用于改善電池、超級(jí)電容器甚至柔性電子產(chǎn)品的性能。但也許最有趣的應(yīng)用還是來(lái)自氣凝膠的熱性質(zhì)，不同的研究已經(jīng)證明了氣凝膠可以提高太陽(yáng)能熱電廠（收集太陽(yáng)熱能產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)渦輪機(jī)并產(chǎn)生電力）的效率。也就是說(shuō)，氣凝膠也可為對(duì)抗持續(xù)的能源危機(jī)提供幫助。

氣凝膠材料。圖片來(lái)源：NASA

（2）纖維電池——新儲(chǔ)能形式，可穿戴設(shè)備的福音

纖維電池的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電池完全不同。傳統(tǒng)電池通常都包括堆疊的電極和其他組件；而纖維電池幾乎是一維的，電極是纏繞在一起的電線，聚合物涂層既能提供保護(hù)，還將電解質(zhì)密封在電池內(nèi)。

纖維電池具有一系列優(yōu)勢(shì)，柔性、結(jié)實(shí)、安全，此外編織纖維還可制成電池“織物”，可以適應(yīng)許多不同的形狀和應(yīng)用。一些研究表明，電池織物柔軟透氣，非常適合應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品。它們似乎也能承受多次洗滌而不損失能量密度。

最近，研究人員開(kāi)發(fā)了基于鋰離子技術(shù)生產(chǎn)高性能編織纖維電池的新方法，能量密度是第一代纖維電池原型的80倍，在500次充電循環(huán)后仍能保持90%的容量，這與大多數(shù)商用電池相當(dāng)。三星（Samsung）和華為（Huawei）等公司正在研究纖維電池的潛力，相關(guān)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將隨著可穿戴設(shè)備和印刷電子產(chǎn)品等市場(chǎng)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

纖維電池及電池織物。圖片來(lái)源：Pure Appl. Chem.

（3）薄膜基熒光傳感器——可調(diào)、多功能、小型化

在薄膜基熒光傳感器中，熒光分子被固定在合適的表面上形成2D或3D薄膜，響應(yīng)外部刺激。薄膜基熒光傳感器尺寸可小于一厘米，其他優(yōu)點(diǎn)還包括功率效率高和易于操作。

在過(guò)去的幾年里，研究人員開(kāi)發(fā)了不同的薄膜基熒光傳感器以檢測(cè)不同的物質(zhì)，比如氣體污染物如氨、氮氧化物和VOC，以及更復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)如殺蟲(chóng)劑、神經(jīng)毒劑和爆炸物。

最近，研究人員已經(jīng)證明了薄膜基熒光傳感器檢測(cè)病原體的潛力，特別是食物中毒背后的常見(jiàn)致命細(xì)菌——單核增生李斯特菌。所有這些，再加上最近紫外線激光技術(shù)的進(jìn)步，可能會(huì)催生小型化污染檢測(cè)設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

盡管薄膜基熒光傳感器在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)搶眼，但仍有待商業(yè)化。要將它們應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的設(shè)備中，還需要其他領(lǐng)域的發(fā)展。也許現(xiàn)代制造業(yè)的進(jìn)步將彌合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的鴻溝。

薄膜基熒光傳感器檢測(cè)病菌。圖片來(lái)源：Aggregate

（4）液態(tài)太陽(yáng)能燃料合成——“瓶裝可再生能源”和更環(huán)保的化學(xué)品

化學(xué)家通過(guò)“人工光合作用”利用太陽(yáng)能生產(chǎn)出可作為燃料的富能物質(zhì)，通常是碳基分子例如醇和低分子量烴類，以取代無(wú)處不在的石油衍生燃料。這些物質(zhì)被稱為太陽(yáng)能燃料，當(dāng)然，有些科學(xué)家將氫、氨和肼等也包含進(jìn)來(lái)，只要制造過(guò)程中使用的主要能源是太陽(yáng)能。

太陽(yáng)能燃料為儲(chǔ)存間歇性的太陽(yáng)能提供了新的機(jī)會(huì)，這就是為什么一些專家稱這種燃料為“瓶裝可再生能源（bottle renewables）”。如今，試驗(yàn)性太陽(yáng)能燃料工廠已經(jīng)開(kāi)始在世界各地出現(xiàn)，研究人員也在專注于解決一些未來(lái)可能出現(xiàn)的障礙，例如銅催化劑在合成長(zhǎng)鏈烴類所面臨的挑戰(zhàn)。

光催化也是備受關(guān)注的方法，許多人認(rèn)為光催化是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料的理想方法。一些解決方案將人造催化劑與天然結(jié)構(gòu)（如酶甚至細(xì)菌）結(jié)合起來(lái)生產(chǎn)化學(xué)品，如乙酸。還有一些方法直接組合光收集技術(shù)與電解槽，以最大限度地減少損失。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的化學(xué)工業(yè)有可能在不需要石油和天然氣的情況下生產(chǎn)商業(yè)化學(xué)品。

（5）大型納米粒子庫(kù)——納米世界迎來(lái)高通量合成和篩選

大型納米粒子庫(kù)，可以看作成分和結(jié)構(gòu)各異的數(shù)百萬(wàn)納米粒子形成的陣列，構(gòu)建策略通常是一種被稱為聚合物筆光刻（polymer pen lithography）的納米粒子沉積技術(shù)。不同的金屬鹽被溶解到聚合墨水中，然后用成千上萬(wàn)個(gè)微小的軟筆尖沉積在表面上，加熱去除聚合物并還原鹽，得到可催化反應(yīng)的金屬納米粒子陣列。

換句話說(shuō)，這相當(dāng)于在一張普通的載玻片上制造數(shù)百萬(wàn)個(gè)微反應(yīng)器。雖然這項(xiàng)技術(shù)很新，但研究人員已經(jīng)有了一些有趣的發(fā)現(xiàn)。

例如，在2018年，大型納米粒子庫(kù)被用于篩選制備單壁碳納米管的潛在催化劑。研究人員從數(shù)十萬(wàn)種不同金和銅比例的納米粒子中，篩選出了此前從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的理想催化劑——Au3Cu。

此外，大型納米粒子庫(kù)也可能會(huì)幫助“材料基因組”領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)。由于大型納米粒子庫(kù)產(chǎn)生了巨量的數(shù)據(jù)，研究人員已經(jīng)開(kāi)始使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)加速分析，人工智能的加入可幫助科學(xué)家更快地在納米世界發(fā)現(xiàn)新的材料。

大型納米粒子庫(kù)。圖片來(lái)源：Chem. Int.

（6）納米酶——結(jié)合自然和人工催化的力量

納米酶指的是具有天然酶性質(zhì)的納米材料。與自然酶只在特定的溫度和pH值范圍內(nèi)工作不同，按需設(shè)計(jì)的納米酶在穩(wěn)定性、可回收性和成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，化學(xué)家們將各種各樣的分子附著在納米酶上，以改變其傳統(tǒng)催化能力之外的性質(zhì)，在多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出了應(yīng)用潛能，比如生物分析、診斷、治療、傳感、水處理等。

納米酶領(lǐng)域最具吸引力的方向之一是開(kāi)發(fā)新型即時(shí)診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本、高靈敏度、高特異性、用戶友好、快速、無(wú)需復(fù)雜設(shè)備的診斷。納米酶可以為許多不同的測(cè)試技術(shù)提供支持，包括電化學(xué)、熒光、比色和免疫分析。

此外，納米酶已經(jīng)顯示出良好的生物相容性，這對(duì)于醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用（包括生物成像和病原體檢測(cè)）十分重要。在治療方面，納米酶也有不錯(cuò)的前景，研究者使用納米酶催化消除與衰老、炎癥、神經(jīng)退行性疾病和癌癥有關(guān)的活性氧和氮物種。

除了生物醫(yī)學(xué)，納米酶已經(jīng)成為水處理和去除污染中的先進(jìn)解決方案，比如鐵基納米酶，在凈化被污染的介質(zhì)后，用磁鐵即可很容易地回收，便于后續(xù)的處理和再利用。通過(guò)解決天然酶和人工酶的一些問(wèn)題，并提供一些有前途的新功能，納米酶可能很快成為許多不同應(yīng)用領(lǐng)域的寵兒。

（7）球形核酸疫苗——重塑疫苗技術(shù)

COVID-19大流行凸顯了疫苗的重要性。本次入選的疫苗學(xué)創(chuàng)新技術(shù)——球形核酸（spherical nucleic acid， SNA），包含納米結(jié)構(gòu)核心及連接到核心上的核酸鏈。納米結(jié)構(gòu)核心種類多樣，包括金、二氧化硅、聚合物、蛋白質(zhì)、膠束、MOF等等。

SNA的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)不同于線性核酸，即便它們擁有相同的核苷酸序列。初步研究表明，以前在臨床試驗(yàn)中失敗的治療性抗原和佐劑，如果用于SNA治療則會(huì)顯示出更高的活性。SNA疫苗已被證明可以有效預(yù)防傳染性病原體，如當(dāng)前仍在肆虐的新冠病毒。

值得注意的是，SNA疫苗可在室溫下保持穩(wěn)定，這有助于偏遠(yuǎn)地區(qū)獲得疫苗。SNA在癌癥免疫治療方面也顯示出不錯(cuò)的前景，特別是針對(duì)黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一項(xiàng)研究中，SNA疫苗治療成功地消除了30%小鼠的腫瘤，這推動(dòng)了向人類臨床試驗(yàn)的過(guò)渡。

事實(shí)上，目前有6項(xiàng)與SNA相關(guān)的人體臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行，多家生物技術(shù)公司正在尋求SNA療法的上市批準(zhǔn)?？傊琒NA很可能會(huì)改變我們未來(lái)應(yīng)對(duì)疾病的方式。

不同的球形核酸結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：Mirkin Research Group

（8）鈉離子電池——來(lái)源更豐富、成本更低的電池

毫無(wú)疑問(wèn)，我們需要更好更便宜的電池。如果沒(méi)有廉價(jià)的能源儲(chǔ)存方案，太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源將永遠(yuǎn)不會(huì)成為主流。

相比于當(dāng)前占市場(chǎng)主導(dǎo)地位的鋰離子電池，鈉離子電池雖然在能量密度等方面仍然存在不足，但在可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面卻更占優(yōu)——鈉元素地球儲(chǔ)量豐富，電池正極可用鐵和錳化合物，不依賴稀缺的含鈷礦物。鈉離子電池還更加安全，從而降低了運(yùn)輸和儲(chǔ)存的成本和風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算化學(xué)為設(shè)計(jì)更高效的鈉離子電池提供了新的方法，有助于設(shè)計(jì)新的電極和電解質(zhì)混合物，并有助于更好地理解材料行為和預(yù)測(cè)性能。

鈉離子電池已經(jīng)引起了工業(yè)界的興趣。事實(shí)上，世界上最大的鋰離子電池制造商——寧德時(shí)代最近推出了他們的第一代鈉基商用電池，并致力于鈉鋰混合解決方案，以徹底改變電動(dòng)汽車行業(yè)。與之同時(shí)，其他公司也在紛紛跟進(jìn)。毫無(wú)疑問(wèn)，鈉離子是高效能源儲(chǔ)存的另一種選擇。

（9）織物顯示器——用于柔性屏幕的纖維基發(fā)光二極管

傳統(tǒng)上，可穿戴設(shè)備依賴于貼在織物表面的薄膜顯示器?？椢镲@示器則完全不同，實(shí)際上，它與前面提到的纖維電池更相似。研究人員直接開(kāi)發(fā)出能夠發(fā)光的纖維，然后將它們纏繞在一起，形成柔性織物作為顯示器。

科學(xué)家研究了許多不同的材料來(lái)制造織物顯示器，例如，將有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）改造成同軸纖維。其他方法包括使用發(fā)光電化學(xué)池或?qū)⒎勰畎l(fā)光材料（通常是硫化物鹽）分散進(jìn)纖維中，前者實(shí)現(xiàn)了顏色可調(diào)，而后者盡管亮度較低，但從生產(chǎn)角度來(lái)看具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹圃爝^(guò)程可用傳統(tǒng)的編織工藝，從而實(shí)現(xiàn)了米級(jí)的纖維和高表面顯示器。

雖然織物顯示器的應(yīng)用主要集中在可穿戴設(shè)備上，但大屏幕可能會(huì)在未來(lái)的家庭及商業(yè)應(yīng)用中找到空間。最近，工程師們演示了一種46英寸智能織物顯示器，在超大尺寸之外還帶了更多可能性，例如，它很容易與觸摸傳感器和無(wú)線功率發(fā)射器相結(jié)合，這為交互提供了新思路。

（10）支持VR的交互式建?！?jì)算化學(xué)在元宇宙中連接

通過(guò)虛擬空間，研究人員探索交互式合作，給計(jì)算化學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)研究帶來(lái)更多可能性。

VR平臺(tái)不再通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)交互，而是允許研究人員進(jìn)入一個(gè)充滿巨大分子的想象房間，并通過(guò)手中的同步無(wú)線控制器“觸摸”它們，移動(dòng)原子，引入修飾和功能基團(tuán)，而所有這些所涉及的都是由外部計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)模擬和渲染的虛擬分子。這一策略并非幻想，而是已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中產(chǎn)生了效果。研究人員已經(jīng)使用類似的策略設(shè)計(jì)了針對(duì)新冠病毒主要靶點(diǎn)之一Mpro的蛋白酶抑制劑，使用的是開(kāi)源框架Narupa。

VR建模也為化學(xué)教育打開(kāi)了新的大門，學(xué)生們?cè)谑褂眠@些VR增強(qiáng)工具時(shí)的反饋要比傳統(tǒng)技術(shù)積極得多，尤其是一個(gè)名為Manta的程序。同樣，VR技術(shù)在化學(xué)企業(yè)的遠(yuǎn)程協(xié)作和跨國(guó)協(xié)作方面也擁有光明的前景。VR技術(shù)在化學(xué)科學(xué)中常常被忽視，但它很有可能成為所有實(shí)驗(yàn)室的基本工具。

審核編輯 ：李倩