2023化学领域十大新兴技术发布

  中化新网讯 11月24日,在第五届世界科技与发展论坛上,中国化学会副理事长、国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)执委会委员帅志刚正式发布了2023年度IUPAC化学领域十大新兴技术。

  2023年度化学领域十大新兴技术分别为:人造肌肉、PET的生物回收、氯化物介导的海洋二氧化碳去除、解聚、化学中的GPT语言模型、“低糖”疫苗、噬菌体疗法、光催化制氢、合成电化学和可穿戴传感器技术。

  IUPAC主席Javier García-Martínez教授指出:“解决清洁能源、充足食物和安全饮用水供应问题是当前世界面临的最紧迫问题之一。为了应对这一挑战,世界需要开发能够帮助我们实现2030年可持续发展目标的技术。化学领域十大新兴技术旨在展示化学的变革价值,并向公众介绍化学科学在增进社会福祉和可持续发展方面的潜力。”

  帅志刚表示,化学领域十大新兴技术每年全球性提名、评选一次。今年的评选特别推动了跨学科合作,部分技术弥合了学术界与工业界之间的差距,并持续增强化学相关产业的竞争力。入选的技术都展示了科学家对未来可持续发展社会的构想和承诺。

  “与此同时,我们也很高兴看到不断有中国化学家领衔的研究纳入其中。今年入选的技术,如可穿戴传感器技术、光催化制氢、噬菌体疗法、PET的生物回收等,都有来自中国科研团队的工作贡献。希望化学领域十大新兴技术的遴选和发布能引起更加广泛的来自中国科技界的关注、支持和参与。”帅志刚如是说。

  另据介绍,2024年度IUPAC化学领域十大新兴技术正在全球范围征集中,征集截止日期为2024年3月31日。征集的目的是在全世界范围内遴选出具有巨大潜力的创新技术,以此来改变当前的全球化学与工业界格局,推动实现联合国可持续发展目标。遴选出的新兴技术被期待更好地提升人类生活和社会质量,有助于更合理、更高效地利用和转换资源,为新材料、电池、传感器和医学等诸多应用领域提供可持续发展的解决方案。


2023年度化学领域十大新兴技术简介

可穿戴传感器技术

  在过去的几年里,可穿戴设备经历了前所未有的崛起,彻底改变了我们与这一技术间的互动方式。通常,可穿戴设备可以获取健身数据、睡眠模式,并实现无缝通信和导航。

  化学传感为可穿戴技术增加了更多有价值的信息,实时监测化学与生物信号和物理刺激,具有高灵敏度,且成本低廉。结合大数据和机器学习,由可穿戴化学传感器提供关键诊疗信息,已成为一种低成本、非侵入性的替代方案,用于传统的临床试验。传统的临床试验通常需要亲自访问、活检和采血。在多组学(基因组学、蛋白质组学、代谢组学)时代,化学可能会带来一场新的革命。

光催化制氢

  据估计,清洁氢每年可以减少超过7亿吨二氧化碳排放。然而,目前99%的氢仍来自化石燃料,因此我们需要可持续的解决方案。光催化制氢只需要可再生资源(太阳光和水),是一个极具吸引力的替代方案。

  然而,这项技术处于早期阶段,其效率还不够高,但光催化制氢的最重要的优势是可扩展性,提供耐久性和实用性的安全系统。最近,研究人员展示了100平方米的光催化制氢装置,与此同时,该领域发表论文和专利数量正在呈指数增长,彰显了其蓬勃发展的姿态。

氯化物介导的海洋二氧化碳去除

  海洋吸收了全球四分之一的碳排放,以及由温室气体产生的90%多余热量,这使得海洋成为阻止气候危机的一个巨大缓冲系统。然而,海洋的缓冲能力是有限的,不断积累的过量二氧化碳正在使海水酸化并影响海洋生物的生存。但从另一角度出发,多余的二氧化碳也可以转化为一种具有经济价值的碳资源。从这个意义上来说,海水中二氧化碳的电化学捕集已成为二氧化碳净负排放的一种有吸引力的替代方案,其中的一些尝试(企业)可以利用捕集的二氧化碳合成每年十亿吨量级的合成燃料和化学原料。

  目前,大多数电化学二氧化碳去除系统都依赖于双极膜电渗析技术,但这项技术面临两个重要的挑战:成本投入高;可能发生导致海洋进一步污染的泄漏。最近,一种新的想法完全绕过了膜,为海洋碳去除提供一种潜在的高效价廉机制。这种替代方案只需要两个铋基电极、泵和气体分离系统即可实现,该方法捕集的二氧化碳成本仅为56美元/吨,既经济实惠又易于工程放大。尽管这一新兴技术尚处于研发初期,但它的出现无疑将为减少和逆转海洋酸化提供富有希望的方案。

化学中的GPT语言模型

  近年来。,AI模型和应用取得了显著进展,特别是得益于更好的大型语言模型大型语言模型(Large Language Models,简称LLMs)的发布,例如旨在同时理解和生成对话OpenAI的ChatGPT。经过大量数据的细致训练之后,AI 模型学习了语言中的模式、语法和语义,并理解输入和推理响应(包括翻译、摘要等)。LLMs 的流行同样激发了科学界的兴趣和关注。

  目前,语言模型已经成功地用于化学应用。ChatGPT和其他算法分析显微镜图像、预测蛋白质结构,直至估计反应产率——可能性是无穷的。一种名为“ChemCrow”的新颖工具充分利用了LLMs,可以完成包括规划合成路线、控制机器人反应平台、自动化分析等任务。此外,最新的更新包括多项安全检查,以避免意外制备潜在有害产品,例如爆炸物、化学武器和受控物质。

  一些研究表明,LLMs 比诸如深度学习等工具更好地“理解”复杂的化学问题,扩展了聊天机器人之外的可能性。此外,LLMs 可能会对化学教育产生优势,简化文献综述、信息搜索等任务。

合成电化学

  电子交换驱动化学反应。合成电化学由于具备诸如更高水平的化学和区域选择性的好处,正在经历复兴。现在,电化学使得各种转化都成为可能——例如合成醚、Birch 还原反应、碳-氢键的氧化和氟化等。最近,研究人员在该领域取得了另一项突破——通过交流电技术,即使在存在其他氧化还原活性基团的情况下,也可选择性地还原羰基。

  电化合成与绿色化学密切相关,并具有几个关键方面的共同点,包括高水平的安全性、可靠性、原子经济性和低能耗。这些标准简化了工业化过程,巴斯夫、3M、拜耳、庄信万丰、罗氏、山德士等公司也最大程度地利用电化合成来生产关键产品和中间体。与可再生电力相结合,电化学作为有机合成的可持续和多功能工具脱颖而出。

人造肌肉

  令人惊讶的是,人造肌肉的概念——用驱动器模拟肌肉动作——可以追溯到17世纪英国科学家罗伯特·胡克((RobertHooke)的实验。然而,最近30年化学和材料科学的发展才使其真正成为可能。一些前沿方案安全地通过了体内研究,展示出该领域的巨大潜力。然而,专家预计,临床试验和用于人体还需要数年时间。

  人造肌肉的研究涉及多种材料,需要多学科努力,研究装置在不同外部刺激下(包括电流、温度、pH 值和光等)的收缩、膨胀或旋转。此外,人造肌肉已经彻底改变了机器人技术,为假肢、外骨骼和生物医学设备(如夹具、显微外科装置等)等应用建立起具有高度适应性且灵活的系统。

噬菌体疗法

  噬菌体的发现发生在 20 世纪初,由 Frederick Twort 在 1915 年和 Félix d'Hérelle 在 1917年同时独立发现。在抗生素耐药性上升到令人担忧的时代,噬菌体疗法是一种很有前途的对抗细菌感染的方法。

  在过去的几年里,噬菌体领域经历了一次复兴,展示出治疗细菌感染以及其他疾病((如癌症)的巨大前景。除了生物学以外,化学也可以补充噬菌体的特性和特征,并激发在药物发现、诊断和材料科学中的应用。噬菌体还在新型纳米医学应用中发挥作用,包括研究蛋白质相互作用。最后,噬菌体已经成为超分子化学极其通用的平台,在化学、材料科学和医学尖端领域发挥作用。噬菌体形成了无机纳米结构、诱导干细胞分化的平台、检测了疾病生物标志物,并且被构建成为组织再生等应用的结构支架。噬菌体的重新发现不仅可以创造对抗所谓“超级细菌”的创新方式,而且也可以刺激超分子化学和生物材料领域令人兴奋的发现。

PET的生物回收

  塑料污染是一个持久的问题。化学为可持续性发展提供更好的解决方案,提供基于资源再利用和减少废品和副产品的新模式。发现和表征能够自然水解和降解聚合物和塑料的酶,为重新利用和回收塑料开辟了新的可能性;而定向进化的发展,进一步拓展了这个领域的前景。

  一个特别令人兴奋的进展是一种能够高效率水解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)并将其转化为聚合单体的酶。传统的PET回收技术会导致机械性能逐渐降低。然而,通过进化的酶最终能生产出与石油基PET具有相同性质的PET。好消息是商业化即将到来。法国绿色化学公司Carbios正在建造一家工厂,将在2025年前实施这项创新技术,每年可回收50万吨PET,相当于20亿个PET瓶。

解聚

  不同的工具可以为将塑料废弃物转化为有价值的资源提供有趣的思路。化学剪切聚合物成为单体是一种特别适合缩聚聚合物(如 PET、聚酰胺和聚氨酯)的解决方案。类似地,高温过程如热解和气化可以将如聚乙烯和聚丙烯等聚合物转化为较小的分子片段——并非单体而是一些有趣的化学品,以实现回收利用。一些初创公司和企业已经成功地为各种废弃产品((包括 PET 包装、瓶子、纺织品、聚氨酯和聚苯乙烯)实施了化学回收过程。

  为实现更有效的解聚要优先考虑两个方面,包括聚合物和大分子结构的合理设计,以及在塑料加工过程中减少使用(如有可能,不使用)添加剂。一些令人兴奋的例子包括聚二酮烯胺,这是一类让我们更接近闭环回收、产生零废弃塑料的神奇聚合物。聚二酮烯胺中的共价键易于通过简单的力化学方法进行回收和升级重构。另一种有吸引力的替代方案是微波辅助的解聚,这种方法已经放大到PET的回收。近期,瑞士的Gr3n公司宣布,将在2027年开设一个新工厂,该工厂每年将使用这种方法回收4万吨PET。

  除了可生物降解性,化学家们还可以通过理性设计制造出安全和可持续的聚合物和塑料。例如,最新的分子建模进展可以帮助预测和预期可能的污染问题、降解副作用和回收反应的可行性。此外,全面的生命周期分析将帮助我们更好地理解废弃物以外的影响,包括经济、碳排放和产品寿命等因素。

“低糖”疫苗

  糖类——即寡糖和多糖——覆盖了大多数的生物结构,包括核酸、脂质、蛋白质以及细胞。糖涂层对多种功能有贡献,包括免疫反应、受体识别以及细胞间的通信、信号传导和相互作用。理解糖类和“糖组学”对于开发疫苗、研究疾病和推进生物医学研究直关重要。

  糖在研发用于治疗SARS-CoV-2((引发 COVID-19 的病毒)的疫苗和治疗方法中起着关键作用。研究人员证明,糖类在刺突蛋白的识别过程中起到了关键作用,使得感染更为高效。而最近,另一项与糖化学有关的进展为研制更好、更广泛的、对新突变体具有更强效力的 SARS-CoV-2 疫苗提供了令人感兴趣的基石。在这一研究中,去除刺突蛋白的糖皮似乎提供了一个强大的防感染保护。删除一些糖,使病毒最常见和保守的区域暴露,这就引发了更强烈和更广泛的免疫反应,包括中和抗体和T细胞。这种“无糖”疫苗在体外展示了许多优势,然而,还需要进一步的研究来证实体内的结果,然后由临床试验进一步评估。

  尽管这项技术还处于非常早期的阶段,但一些生物技术和制药公司已经取得了进一步开发和商业化这个想法的协议。


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