2023年度化学领域十大新兴技术面面世

2023年化学十大新兴技术

人造肌肉

PET的生物回收

氯化物介导的海洋二氧化碳去除 - 海洋二氧化碳

解聚

化学中的 GPT 语言模型 GPT 中

“低糖”疫苗 低糖

噬菌体治疗 噬菌体

光催化制氢

合成电化学

可穿戴传感器技术

IUPAC主席加西亚-马丁内斯教授在视频讲话中指出，解决清洁能源、充足食品和安全饮用水供应问题是当今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 (SDG) 的技术。 化学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促进社会福祉和可持续发展的潜力。

帅志刚副主席表示，“化学十大新兴技术”倡议每年在全球范围内提名评选一次。 今年的评选特别提倡跨学科合作，一些技术弥合了学术界和工业界之间的差距，持续提升化学相关产业的竞争力。 所选技术均体现了科学家对未来社会可持续发展的愿景和承诺。 同时，我们也很高兴看到中国化学家主导的研究继续被纳入其中。 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生物回收”等，都有中国科研团队的贡献。 希望“化学十大新兴技术”的评选和发布能够引起中国科技界更广泛的关注、支持和参与。

从2019年开始，以IUPAC成立100周年为契机，IUPAC联合中国化学会等世界各国和地区的化学学术组织，共同发起“化学工业十大新兴技术”全球盛会。年度化学”。 希望能够从全球范围内筛选出具有巨大潜力的创新技术，改变当前全球化学工业格局，推动联合国可持续发展目标（SDG）的实现。

“化学十大新兴技术”详情及内容分析，请访问IUPAC（英文）官网（）。

2023年化学领域十大新兴技术介绍

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项技术交互的方式。 通常，可穿戴设备会捕获健身数据、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添了更多有价值的信息，以高灵敏度和低成本实时监测化学和生物信号以及物理刺激。 可穿戴化学传感器将大数据和机器学习相结合，提供关键的诊断和治疗信息，已成为传统临床试验的低成本、非侵入性替代方案。 传统的临床试验通常需要亲自就诊、活检和抽血。 在多组学（基因组学、蛋白质组学、代谢组学）时代，化学可能会带来新的革命。

光催化制氢

据估计，清洁氢每年可减少7亿吨二氧化碳排放。 然而，目前 99% 的氢气仍然来自化石燃料，因此我们需要可持续的解决方案。 光催化制氢仅需要可再生资源（阳光和水），是一种有吸引力的替代方案。

然而，这项技术还处于早期阶段，效率还不够高，但光催化制氢最重要的优势是安全系统的可扩展性、耐用性和实用性。 近日，研究人员展示了一个100平方米的光催化制氢装置。 与此同时，该领域发表的论文和专利数量呈指数级增长，凸显其蓬勃发展。

氯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和温室气体产生的90%的多余热量，使其成为应对气候危机的巨大缓冲系统。 然而，海洋的缓冲能力有限，过量二氧化碳的积累正在使海水酸化，影响海洋生物的生存。 但从另一个角度来看，多余的二氧化碳也可以转化为具有经济价值的碳资源。 从这个意义上说，电化学捕获海水中的二氧化碳已成为二氧化碳净负排放的有吸引力的替代方案，其中一些尝试（公司）可以利用捕获的二氧化碳每年合成数十亿吨。 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依赖于双极膜电渗析技术，但该技术面临两个重要挑战：投资成本高以及泄漏导致海洋进一步污染的可能性。 最近，一种新想法完全绕过膜，为海洋碳去除提供了一种潜在的具有成本效益的机制。 这种替代方案只需要两个铋基电极、一个泵和一个气体分离系统。 该方法捕集二氧化碳的成本仅为56美元/吨，既经济又易于规模化。 尽管这项新兴技术仍处于发展的早期阶段，但它的出现无疑将为减少和扭转海洋酸化提供有前景的解决方案。

化学中的 GPT 语言模型

最近几年。 人工智能模型和应用取得了重大进展，特别是得益于更好的大型语言模型（Large，或 LLM）的发布，例如那些旨在同时理解和生成对话的模型。 经过对大量数据的仔细训练，AI模型学习语言中的模式、语法和语义，并理解输入并推断响应（包括翻译、摘要等）。 法学硕士的流行也激发了科学界的兴趣和关注。

目前，语言模型已成功应用于化学应用。 和其他算法分析显微镜图像，预测蛋白质结构，一直到估计反应产量——可能性是无限的。 一种名为“”的新颖工具充分利用了法学硕士，可以完成包括规划合成路线、控制机器人反应平台和自动化分析等任务。 此外，最新更新还包括多项安全检查，以避免意外制备潜在危险产品，如爆炸物、化学武器和受控物质。

一些研究表明，法学硕士可以比深度学习等工具更好地“理解”复杂的化学问题，从而将可能性扩展到聊天机器人之外。 此外，法学硕士在化学教育、简化文献综述、信息检索等任务方面可能具有优势。

合成电化学

电子交换驱动化学反应。 由于更高水平的化学和区域选择性等优点，合成电化学正在经历复兴。 电化学现在使各种转化成为可能，例如醚的合成、Birch 还原反应、碳氢键的氧化和氟化等等。 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，即使存在其他氧化还原活性基团，也可以选择性地还原羰基。

电化学合成与绿色化学密切相关，并且具有高安全性、可靠性、原子经济性和低能耗等几个关键方面。 这些标准简化了工业化流程，巴斯夫、3M、拜耳、庄信万丰、罗氏、山德士等公司也最大限度地利用电化学合成来生产关键产品和中间体。 与可再生电力相结合，电化学成为一种可持续且多功能的有机合成工具。

人造肌肉

令人惊讶的是，人造肌肉的概念——利用执行器来模拟肌肉动作——可以追溯到17世纪英国科学家罗伯特·胡克（ Hooke）的实验。 然而，过去30年化学和材料科学的发展让这一切成为可能。 一些前沿解决方案已安全通过体内研究，展示了该领域的巨大潜力。 不过，专家预测，临床试验和人体使用仍需要数年时间。

人造肌肉的研究涉及多种材料，需要多学科的努力来研究装置在不同外部刺激（包括电流、温度、pH 和光）下的收缩、膨胀或旋转。 此外，人造肌肉彻底改变了机器人技术，为假肢、外骨骼和生物医学设备（例如夹具、显微外科设备等）等应用提供了高度适应性和灵活的系统。

噬菌体疗法

噬菌体的发现发生在 20 世纪初，分别由 Twort 于 1915 年和 Félix d'Hérelle 于 1917 年发现。在抗生素耐药性急剧上升的时期，噬菌体疗法是​​对抗细菌感染的一种有前途的方法。

噬菌体领域在过去几年中经历了复兴，在治疗细菌感染以及癌症等其他疾病方面显示出巨大的前景。 除了生物学之外，化学也可以补充噬菌体的性质和特征，并激发药物的发展。 在发现、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，噬菌体已成为超分子化学的极其通用的平台，在化学、材料科学和医学的前沿领域发挥着作用。 角色。 噬菌体形成无机纳米结构、诱导干细胞分化、检测疾病生物标志物的平台，并被构建为用于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”的创新方法，而且还可以刺激超分子化学和生物材料领域的令人兴奋的发现。

PET的生物回收

塑料污染是一个持续存在的问题。 化学为可持续发展提供了更好的解决方案，提供了基于资源再利用以及废物和副产品减少的新模式。 自然水解和降解聚合物和塑料的酶的发现和表征为塑料的再利用和回收开辟了新的可能性； 而定向进化的发展进一步拓展了该领域的前景。

一项特别令人兴奋的进展是一种可以有效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下降。 然而，进化的酶最终可以生产出与石油基 PET 具有相同特性的 PET。 好消息是商业化即将到来。 这家法国绿色化学公司正在建设一座工厂，将于2025年实施这项创新技术，每年可回收50万吨PET，相当于20亿个PET瓶。

解聚

不同的工具可以提供有趣的想法，将塑料废物转化为宝贵的资源。 将聚合物化学剪切成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。 同样，热解和气化等高温过程可以将聚乙烯和聚丙烯等聚合物转化为可回收的更小的分子碎片（不是单体，而是有趣的化学物质）。 一些初创公司和企业已成功实施各种废品的化学回收工艺，包括 PET 包装、瓶子、纺织品、聚氨酯和聚苯乙烯。

要实现更有效的解聚，应优先考虑两个方面，包括聚合物和大分子结构的合理设计以及塑料加工中添加剂的减少（如果可能，不使用）。 一些令人兴奋的例子包括聚二酮胺，这是一类令人惊叹的聚合物，它使我们更接近闭环回收，生产零废弃塑料。 聚二酮烯胺中的共价键很容易通过简单的机械化学方法回收和升级以进行重建。 另一种有吸引力的替代方法是微波辅助解聚，这种方法已扩大到 PET 的回收利用。 近日，瑞士公司Gr3n宣布将于2027年开设一家新工厂，该工厂将利用这种方法每年回收4万吨PET。

除了生物降解性之外，化学家还可以通过合理的设计制造安全且可持续的聚合物和塑料。 例如，分子建模的最新进展可以帮助预测和预见可能的污染问题、降解副作用以及回收反应的可行性。 此外，全面的生命周期分析将帮助我们更好地了解废物以外的影响，包括经济、碳排放和产品寿命等因素。

“低糖”疫苗

糖（低聚糖和多糖）涵盖了大多数生物结构，包括核酸、脂质、蛋白质和细胞。 糖衣有助于多种功能，包括免疫反应、受体识别以及细胞间通讯、信号传导和相互作用。 了解糖和“糖组学”对于开发疫苗、研究疾病和推进生物医学研究至关重要。

糖在 SARS-CoV-2（引起 COVID-19 的病毒）的疫苗和治疗方法的开发中发挥着关键作用。 研究人员表明，糖在刺突蛋白的识别过程中发挥着关键作用，使感染更加有效。 最近，涉及糖化学的另一项进展为开发更好、更广泛的 SARS-CoV-2 疫苗提供了一个有趣的基础，这些疫苗对新突变体更有效。 在这项研究中，去除刺突蛋白的糖衣似乎可以提供强有力的感染保护。 去除一些糖会暴露出病毒最常见和最保守的区域，从而引发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”疫苗在体外表现出许多优点，但还需要进一步研究来证实体内结果，然后通过临床试验进一步评估。

尽管该技术仍处于早期阶段，但多家生物技术和制药公司已达成协议以进一步开发和商业化该想法。