一文詳解2023年IUPAC化學領域十大新興技術

　　2023年11月24日，第五屆世界科技與發展論壇召開。在本屆論壇上，中國化學會副理事長、IUPAC執委會委員帥志剛正式發布了“2023年度IUPAC化學領域十大新興技術”。

　　今年新入選的技術將使整個技術名單增長到五十個。這些技術具有很強的潛力，可以使我們的世界更加可持續，并為當前的多重危機提供適合的解決方案。此外，今年化學領域十大新興技術的選擇特別促進了化學領域的跨學科合作，彌合了學術界與工業界之間的差距，同時繼續保持化學制造商的競爭力。

　　2023 年化學領域十大新興技術代表了一個多元化的選擇，涵蓋了從早期想法到工業化創新的各個領域，包括合成、材料科學、能源、生物醫藥和教育。也許我們不應該把化學視為“中心科學”，而是應該把它看作“連接科學”，它能夠催化跨學科合作，并促進工業創新。同樣，可持續性始終是化學領域新興十大技術的普遍主題——該倡議的終極目的仍然是確保可持續的未來，推動我們的社會發展，改善我們的生活質量。我們需要富有創意的化學解決方案來創造一個更美好的世界，因此讓我們共同努力，找出最具想象力的想法和創新以確保增長，以及確保每個人都具有獲取可再生能源、燃料、食品和藥品的基本權利。

發布現場

2023年度化學領域十大新興技術

　　人造肌肉Artificial muscles

　　PET的生物回收Biological recycling of PET

　　氯化物介導的海洋二氧化碳去除Chloride-mediated removal of ocean CO2

　　解聚Depolymerisation

　　化學中的GPT語言模型GPT language models in chemistry

　　“低糖”疫苗Low-sugar vaccination

　　噬菌體療法Phage therapy

　　光催化制氫Photocatalytic hydrogen

　　合成電化學Synthetic electrochemistry

　　可穿戴傳感器技術Wearable sensors

　　可穿戴傳感器技術

　　在過去的幾年里，可穿戴設備經歷了前所未有的崛起，徹底改變了我們與這一技術間的互動方式。全球新冠疫情加速了這一趨勢，促使健康跟蹤和監測技術蓬勃發展。通常，可穿戴設備可以獲取健身數據、睡眠模式，并實現無縫通信和導航。化學傳感為可穿戴技術增加了更多有價值的信息，實時監測化學與生物信號和物理刺激，具有高靈敏度，且成本低廉。其中最流行的應用之一是糖尿病人的葡萄糖檢測，可穿戴傳感器已經得到廣泛采用，并能夠與智能手機和智能手表等日常設備快速連接，給予患者前所未有的力量和自由。除了葡萄糖檢測外，化學可穿戴傳感器提供了探測各種生物標志物的機會，包括 pH、乳酸、尿酸、離子水平、細胞因子等等。這不僅為實時監測患者的進展提供了平臺，還能夠深入檢測和診斷疾病，提高醫學環境中傳統實驗室工作的速度和效率。

　　光催化制氫

　　據估計，清潔氫每年可以減少超過 7 億噸二氧化碳排放。然而，目前 99％的氫仍來自化石燃料，因此我們需要可持續的解決方案。光催化制氫只需要可再生資源（太陽光和水），是一個極具吸引力的替代方案。然而，這項技術仍處于早期階段，其效率還不夠高。相比之下，電解水制氫技術已經展示了超過 30％的效率，具有數不盡的具有成本效益的商業應用。

　　雖然效率還存在問題，但光催化制氫的最重要的優勢是可擴展性，提供耐久性和實用性的安全系統。最近，研究人員展示了 100 平方米的光催化制氫裝置，與此同時，該領域發表論文和專利數量正在呈指數增長，彰顯了其蓬勃發展的姿態。光催化制氫仍面臨著一些挑戰。例如，光催化制氫的表現與催化劑的能帶結構和帶隙，以及對更寬的波長范圍的響應能力緊密相關。縮小帶隙可以提高制氫效率，并減少對特定波長的依賴，從而最大限度地利用太陽能。此外，可擴展的系統應當安全地分離氫氣，以降低爆炸風險。像膜分離、金屬有機框架以及最新的水凝膠等技術為構筑可浮動生產平臺等應用提供了可能，為大規模（（至直接接從海水）生產可持續的氫氣源展示了廣闊的潛力。

　　氯化物介導的海洋二氧化碳去除

　　聯合國將海洋視為人類應對氣候變化的最大盟友。它吸收了全球四分之一的碳排放，以及由溫室氣體產生的 90%多余熱量，這使得海洋成為阻止氣候危機的一個巨大緩沖系統。然而，海洋的緩沖能力是有限的，不斷積累的過量二氧化碳正在使海水酸化并影響海洋生物的生存。但從另一角度出發，多余的二氧化碳也可以轉化為一種具有經濟價值的碳資源，即非化石燃料的碳儲備。從這個意義上來說，海水中二氧化碳的電化學捕集已成為二氧化碳凈負排放的一種有吸引力的替代方案，其中的一些嘗試（企業）可以利用捕集的二氧化碳合成每年十億噸量級的合成燃料和化學原料。目前，大多數電化學二氧化碳去除系統都依賴于雙極膜電滲析技術，但這項技術面臨兩個重要的挑戰——1、成本投入高，2、可能發生導致海洋進一步污染的泄漏。最近，一種新的想法完全繞過了膜，為海洋碳去除提供一種潛在的高效價廉機制。這種替代方案只需要兩個鉍基電極、泵和氣體分離系統即可實現，既經濟實惠又易于工程放大。該方案被設計為一個循環過程：首先，泵將海水輸送到第一個電極，進一步酸化以釋放并濾出二氧化碳；接下來混合物將流向第二個電極，在反向電壓和裝置作用下提高 pH 值。兩個電極的角色定期切換以實現連續流動，循環操作。根據初步的技術經濟性研究，該方法捕集的二氧化碳成本僅為 56 美元/噸。盡管這一新興技術尚處于研發初期，但它的出現無疑將為減少和逆轉海洋酸化提供富有希望的方案。

　　化學中的 GPT 語言模型

　　2020 年，人工智能（AI）已經入選“化學領域十大新興技術”，此后，AI 模型和應用取得了顯著進展，特別是得益于更好的大型語言模型（Large Language Models，簡稱LLMs）的發布，例如旨在同時理解和生成對話的 OpenAI 的ChatGPT。經過大量數據的細致訓練之后，AI 模型學習了語言中的模式、語法和語義，并理解輸入和推理響應（包括翻譯、摘要等）。LLMs 的流行同樣激發了科學界的興趣和關注。

　　例如，一些人擔心使用 AI 工具生成的虛假研究論文最終可能會被發表——欺騙審稿人相對容易，欺騙專門的抄襲檢測工具就更簡單了。據稱，LLMs 還開始生成同行評審報告，這給現有出版業的穩定性和可靠性帶來了的許多問題。

　　盡管如此，許多人仍然認為 LLMs 是“該領域的未來”。因為除了檢索看起來像現實生活中人類討論的回復之外，語言模型已經成功地用于化學應用。ChatGPT 和其他算法分析顯微鏡圖像、預測蛋白質結構，至直估計反應產率——可能性是無窮的。一種名為“ChemCrow”的新穎工具充分利用了LLMs，可以完成包括規劃合成路線、控制機器人反應平臺、自動化分析等任務。此外，最新的更新包括多項安全檢查，以避免意外制備潛在有害產品，例如爆炸物、化學武器和受控物質。一些研究表明，LLMs 比諸如深度學習等工具更好地“理解”復雜的化學問題，擴展了聊天機器人之外的可能性。此外，LLMs 可能會對化學教育產生優勢，簡化文獻綜述、信息搜索等任務。雖然一些早期實驗表明 LLMs 仍然在基礎化學問題上面臨困難，但 ChatGPT 可以幫助學生和教授擺脫“會議和備忘錄的泥潭”，從而有更多的時間用于創造性和建設性的交流。

合成電化學

電子交換驅動化學反應。由于電力是最便宜、最環保的電子來源，自從 19 世紀初電池被發現以來，它就被用作轉化物質的強大工具。在亞歷山大·伏爾塔（（Alessandro Volta）的實驗之后不久，第一次電解現象隨之出現，幾年后邁克爾·法拉第（Michael Faraday）對一個有機化合物進行了電化學反應——乙酸鹽的脫羧反應。這些名人雅集之后，該領域就逐漸消失了，在 20 世紀中期，隨著循環伏安法這項可以更好表征反應過程的技術發現，合成電化學短暫復蘇，并在計算機計算方面的進步后得到進一步加強。現在，這些進步，加上接觀且廉價設備的開發和部署，使得曾經被認為是“黑匣子”的過程變得清晰明了。合成電化學由于具備諸如更高水平的化學和區域選擇性的好處，正在經歷復興。現在，電化學使得各種轉化都成為可能——例如合成醚、Birch 還原反應、碳-氫鍵的氧化和氟化等。最近，研究人員在該領域取得了另一項突破——通過交流電技術，即使在存在其他氧化還原活性基團的情況下，也可選擇性地還原羰基。該團隊與化學設備制造商 IKA 緊密合作，設計和開發硬件和軟件，以使新方法對盡可能多的實驗室易于使用。ElectraSyn 是一種旨在推廣合成電化學的設備。電化合成與綠色化學密切相關，并具有幾個關鍵方面的共同點，包括高水平的安全性、可靠性、原子經濟性和低能耗。這些標準簡化了工業化過程，例如 Baizer 工藝，即一種制造己二腈（（用于生產龍的的關鍵物質）的方法，每年可生產超過 300 千噸。巴斯夫也利用電化學合成甲苯取代物，每年可生產 3 萬多噸對甲基苯甲醛和 0.35 萬噸對甲基苯甲醚。3M、拜耳、莊信萬豐、羅氏、山德士等公司也最大程度地利用電化合成來生產關鍵產品和中間體。目前，許多生產商正在采用電化合成技術來增強其生產過程，在化學工業中降低成本和溫室氣體排放。與可再生電力相結合，電化學作為有機合成的可持續和多功能工具脫穎而出。

　　人造肌肉

　　令人驚訝的是，人造肌肉的概念——用驅動器模擬肌肉動作——可以追溯到 17 世紀英國科學家羅伯特·胡克（（RobertHooke）的實驗。然而，最近 30 年化學和材料科學的發展才使其真正成為可能。一些前沿方案安全地通過了體內研究，展示出該領域的巨大潛力。然而，專家預計，臨床試驗和用于人體還需要數年時間。人造肌肉的研究涉及多種材料，需要多學科努力，研究裝置在不同外部刺激下（包括電流、溫度、pH 值和光等）的收縮、膨脹或旋轉。挑戰是雙重的：首先要合成模擬肌肉的結構，然后是引入功能性和響應性。研究人員從昆蟲身上找到靈感，發現微絲可以模擬肌球蛋白和肌動蛋白的運動和微觀結構，這是自然界中主要的肌肉蛋白。除了功能強大的聚合物外，電流響應的彈性體也有望助力于心臟手術、尿失禁和某些中風副作用患者的康復。另一種有吸引力的方案是設計和開發模仿骨骼肌自然結構的復合材料。通過液晶彈性體和石墨烯填充物，這些人造肌肉材料模擬了天然纖維中的肌球蛋白和肌動蛋白，保持了較強的機械性能，并能傳遞電信號，這是驅動和運動等功能的關鍵。該技術現已獲得專利，名為“大力神（Hercules）”纖維，正在通過一家韓國衍生公司進行商業化，并可能在國防、制造業和醫學等領域發揮作用。此外，人造肌肉已經徹底改變了機器人技術，為假肢、外骨骼和生物醫學設備（如夾具、顯微外科裝置等）等應用建立起具有高度適應性且靈活的系統。借助人造肌肉，機器人可能提供更精準的控制，并通過逼真的運動提高響應能力。這使其比現有的替代品更加適用與安全，尤其是在執行各種精細任務時。

　　噬菌體療法

　　噬菌體療法是一種很有前途的對抗細菌感染的方法，在抗生素耐藥性上升到令人擔憂的時代——2019 年細菌感染接接或間接導致了約五百萬人死亡，其中大部分是低收入和中等收入群體。如果這個趨勢繼續下去，目前的估算認為到2050 年，這個數字將翻倍，這將立即對全球經濟產生影響，每年造成一萬億美元的損失。噬菌體的發現發生在 20 世紀初，由 Frederick Twort 在 1915 年和 Félix d'Hérelle 在 1917年同時獨立發現。后者不僅廣泛研究了這種專門針對細菌的病毒，并且已經認識到噬菌體作為治療細菌感染的治療工具具有巨大潛力。在過去的幾年里，噬菌體領域經歷了一次復興，展示出治療細菌感染以及其他疾病（（如癌癥）的巨大前景。應用之間的差異在于噬菌體病毒的關鍵結構差異——"溶解性"噬菌體感染細菌并在其中復制，接到重復體數量毀壞宿主；另一方面，“非溶解性”或“溶原性”噬菌體則將其基因組同化到宿主內，并在癌癥、中風、骨缺陷等靶向治療中得到了應用。除了生物學以外，化學也可以補充噬菌體的特性和特征，并激發在藥物發現、診斷和材料科學中的應用。例如，包封技術（如脂質體、納米顆粒、水凝膠或金屬有機框架）可以控制噬菌體的遞送，提高穩定性、可用性、防止降解以及先進的活性靶向。噬菌體還在新型納米醫學應用中發揮作用，包括研究蛋白質相互作用。最近的研究表明，噬菌體可以在其表面展示感興趣的肽和蛋白質用于蛋白質組學分析，這是一種發現診斷、治療和信號通路的有趣靶點的策略。最后，噬菌體已經成為超分子化學極其通用的平臺，在化學、材料科學和醫學尖端領域發揮作用。噬菌體形成了無機納米結構、誘導干細胞分化的平臺、檢測了疾病生物標志物，并且被構建成為組織再生等應用的結構支架。噬菌體的重新發現不僅可以創造對抗所謂“超級細菌”的創新方式，而且也可以刺激超分子化學和生物材料領域令人興奮的發現。

　　PET 的生物回收

　　塑料污染是一個持久的問題。最近的報告顯示，塑料和微塑料出現在了最不該出現的地方——南極磷蝦、新鮮降雪，至直人類的血液樣本。經濟合作與發展組織（OECD）擔心，盡管過去 20 年世界上產生的塑料廢棄物增加了一倍，但只有 9%的塑料得到妥善回收，22%的垃圾沒有被恰當處置。化學再次可能提供解決方案，為可持續性發展提供更好的解決方案，提供基于資源再利用和減少廢品和副產品的新模式。發現和表征能夠自然水解和降解聚合物和塑料的酶，為重新利用和回收塑料開辟了新的可能性；而定向進化的發展（（獲獲 2018 年諾貝爾化學獎，并被選為 2019 年化學領域十大新興技術之一），進一步拓展了這個領域的前景。一個特別令人興奮的進展是一種能夠高效率水解聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）并將其轉化為聚合單體的酶。傳統的 PET 回收技術會導致機械性能逐漸降低。然而，通過進化的酶最終能生產出與石油基 PET 具有相同性質的 PET，有助于循環利用，并減少填埋場和環境中的廢棄物。好消息是商業化即將到來。法國綠色化學公司 Carbios 正在建造一家工廠，將在 2025 年前實施這項創新技術，每年可回收 50萬噸 PET，相當于 20 億個 PET 瓶。

　　解聚

　　我們已經回顧了塑料污染的問題。而且，早在 2019 年我們就探索了一些基于生物技術的解決方案，將高分子聚合物分解回基本構建單元——單體。現在，我們正在重新審視這種回收方法，為其增加了升級回收、循環利用和可持續性設計的新視角。不同的工具可以為將塑料廢棄物轉化為有價值的資源提供有趣的思路。化學剪切聚合物成為單體是一種特別適合縮聚聚合物（如 PET、聚酰胺和聚氨酯）的解決方案。

　　類似地，高溫過程如熱解和氣化可以將如聚乙烯和聚丙烯等聚合物轉化為較小的分子片段——并非單體而是一些有趣的化學品，以實現回收利用。一些初創公司和企業已經成功地為各種廢棄產品（（包括 PET 包裝、瓶子、紡織品、聚氨酯和聚苯乙烯）實施了化學回收過程。探索正確的化學回收方法可以大大推動塑料的循環經濟，幫助實現塑料價值鏈中的碳中和。為實現更有效的解聚要優先考慮兩個方面，包括聚合物和大分子結構的合理設計，以及在塑料加工過程中減少使用（如有可能，不使用）添加劑。所有面向重塑聚合物和塑料生產的努力都可能減輕污染問題造成的困擾。一些令人興奮的例子包括聚二酮烯胺，這是一類讓我們更接近閉環回收、產生零廢棄塑料的神奇聚合物。聚二酮烯胺中的共價鍵易于通過簡單的力化學方法進行回收和升級重構。

　　另一種有吸引力的替代方案是微波輔助的解聚，這種方法已經放大到 PET 的回收。近期，瑞士的 Gr3n 公司宣布，將在2027 年開設一個新工廠，該工廠每年將使用這種方法回收 4萬噸 PET。除了可生物降解性，化學家們還可以通過理性設計制造出安全和可持續的聚合物和塑料。例如，最新的分子建模進展可以幫助預測和預期可能的污染問題、降解副作用和回收反應的可行性。此外，全面的生命周期分析將幫助我們更好地理解廢棄物以外的影響，包括經濟、碳排放和產品壽命等因素。在這一點上，像 REACH這樣的政策和已經在歐盟實施的新型數字產品護照，可以催化向循環經濟的轉變。

　　“低糖”疫苗

　　糖類——即寡糖和多糖——覆蓋了大多數的生物結構，包括核酸、脂質、蛋白質以及細胞。糖涂層對多種功能有貢獻，包括免疫反應、受體識別以及細胞間的通信、信號傳導和相互作用。理解糖類和“糖組學”對于開發疫苗、研究疾病和推進生物醫學研究直關重要。糖在研發用于治療SARS-CoV-2（（引發 COVID-19 的病毒）的疫苗和治療方法中起著關鍵作用。研究人員證明，糖類在刺突蛋白的識別過程中起到了關鍵作用，使得感染更為高效。而最近，另一項與糖化學有關的進展為研制更好、更廣泛的、對新突變體具有更強效力的 SARS-CoV-2 疫苗提供了令人感興趣的基石。

　　在這一研究中，去除刺突蛋白的糖皮似乎提供了一個強大的防感染保護。刪除一些糖，使病毒最常見和保守的區域暴露，這就引發了更強烈和更廣泛的免疫反應，包括中和抗體和 T細胞。這種“無糖”疫苗在體外展示了許多優勢，然而，還需要進一步的研究來證實體內的結果，然后由臨床試驗進一步評估。一種類似的解決方案，“糖修剪”，也在開發更有效的抗 HIV 感染疫苗中顯示出了潛力。糖蛋白質的修飾改善了動物模型的免疫反應，幫助更好地識別 HIV 病毒，盡管它有一個使抗體和 T 細胞受騙的糖涂層。盡管這項技術還處于非常早期的階段，但一些生物技術和制藥公司已經取得了進一步開發和商業化這個想法的協議。