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IUPAC盘点2020年十项将改变世界的化学创新

年终岁末,大家是不是都在忙着写总结,回顾过去一年都做了一些什么,顺带展望一下未来。学术界也是一样,前不久Science 期刊盘点了2020年的十大“年度突破”涉及新冠疫苗、基因编辑疗法、全球变暖、天文学、考古学、人工智能等多个领域(点击阅读相关)。今天,本君为大家分享的内容来自“国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)”,他们的专家小组盘点了2020年的“十项将改变世界的化学创新(Ten Chemical Innovations That Will Change Our World)”(也被他们称为“Top Ten Emerging Technologies in Chemistry”)。不像Science 年度突破的评选已经进行多年,IUPAC的盘点到今年也只是第二次,首次盘点是在2019年点击阅读相关,是纪念IUPAC成立100周年暨门捷列夫元素周期表首次出版150周年的众多活动之一。可能是因为颇受业内欢迎,IUPAC就将这个项目继续了下去。


言归正传。由于今年席卷全球的新冠疫情,IUPAC盘点的十项将改变世界的化学创新中就有三项和新冠疫情相关。其一就是纳米传感器。我们的生活几乎被各种传感器包围,小到智能手机、智能手环,大到各种仪器设备。化学纳米传感器的应用范围更是非常广泛,可监测环境污染、食品安全以及用于医疗保健。今年,化学家们使用纳米材料的独特性能构建的金纳米颗粒可以在15分钟内检测出新冠病毒SARS-CoV-2。

图片来源:Chem. Int.


第二个和新冠疫情相关的就是纳米传感器的应用——快速诊断检测。快速诊断测试是适用于快速医学筛查的化学分析方法,通常经过一些简单的操作步骤,在几分钟内即可知道结果,并且还很少需要大型仪器设备,因此备受民众和医生的青睐。在全球新冠疫情爆发的背景下,许多地方实验室设备短缺,无法进行标准的PCR测试以完成病毒核酸检测。世界各地的科学家们正在研究针对新冠疫情的快速诊断方法。比如,据称雅培(Abbott)制药开发的一项COVID-19检测方法,仅五分钟即可得出结果。更多的化学家正在努力开发针对COVID-19的新型快速诊断方案。

图片来源:Chem. Int.


最后一个和新冠疫情相关的技术自然是备受全球关注的新冠疫苗了。目前全球已上市或在研的新冠疫苗有多种作用机制,IUPAC则推荐了其中的RNA疫苗。RNA疫苗非常巧妙地为患者提供编码抗原生成的RNA序列,该序列最终会刺激免疫反应导致抗体的生成。其优势之一是可以非常快速地被设计并大规模快速合成,这是传统疫苗所无法比拟的。全球第一个获批上市的新冠疫苗就是由辉瑞制药(Pfizer)研制的RNA疫苗。

图片来源:Chem. Int.


除上述三项和新冠疫情相关的技术外,其他几项突破性化学技术分别是:


微生物组和生物活性化合物


据报道,有超过10万亿种微生物生活在我们的肠道、呼吸道和皮肤中。大量研究表明,它们影响着我们身体的功能,也可能会引发各种疾病,甚至影响药物对机体的治疗反应。化学家们通过各种化学手段研究微生物组,并在其中分离鉴定出一些具有生物活性的化合物,这为开发新的治疗策略提供了重要依据。

图片来源:Chem. Int.


聚集诱导发光


从LED到生物成像技术,如今发光材料无处不在。这些物质通常都具有很多芳香结构,因此分子倾向于高度堆积,这最终导致材料无法发光,这种现象称为“聚集荧光淬灭”。2001年,唐本忠院士团队观察到了与之截然相反的现象——某些分子在稀释溶液中的发光非常弱,而在分子堆积时则显示出强烈发光效应。这个现象被称为“聚集诱导发光(AIE)”(点击阅读相关)。与经典的发光分子不同,具有AIE活性的分子是非平面的,它们就像微型螺旋桨一样不断运动。当它们聚集时,旋转停止,并且所有能量以光的形式释放。自从发现AIE以来,化学家已经鉴定出多种具有这种性质的化合物,AIE已经在OLED器件、传感器和新型生物成像工具中得到了应用,为发光材料的开发提供了新途径。

图片来源:Chem. Int.


液体门控技术


使用液体来构建响应式闸门的想法咋听起来让人有些难以置信。然而,最初于2015年提出的这个想法已经成为现实,并可能很快带来许多新颖的应用。通常情况下,液膜依靠边界浓度差起作用。液体门控膜可依赖于毛细管现象对压力变化做出响应。在微观上,某些液体可按需选择性地打开和关闭孔道。液门技术可用于许多领域,例如分离过滤、化学传感器、微流控阵列、高效催化、生物组织打印等。该技术极具广阔的应用前景。

图片来源:imprs-cpqm.mpg.de


更易回收的塑料——大分子单体


重新设计大分子单体是制造可回收塑料的一项新兴策略。化学家们依靠自由基开环反应,使聚合物在全碳主链结构中掺入杂原子和官能团。所得到的新聚合物更容易水解和再循环利用。最近,几个小组对这种技术进行了优化,提供了多种可生物降解的塑料。有研究人员开发出一种坚固又稳定的聚合物,可以在温和条件下循环使用。

图片来源:Chem. Int.


高压无机化学


高压科学不再神秘,这得益于新技术的进步使得在高压环境下密切监视样品成为现实。这些实验涉及的压力高达500 GPa,相当于平均大气压的五百万倍。在超高压下,化学键的规则似乎发生了改变,甚至传统意义的惰性物质也会发生反应。辨别分子在超高压下发生的转变可能会发现一些前所未有的新分子或分子新特性,例如室温超导性或超硬性。这无疑对于新材料的开发具有极其深远的意义。

图片来源:Chem. Int.


双离子电池


在过去的几十年中,移动设备体积不断变小很大程度上得益于电池技术的发展。目前,使用最为广泛的就是锂离子电池。在传统的锂离子电池中,只有阳离子沿着电解质移动,而在最近兴起的双离子电池中,阴离子和阳离子都参与了能量存储机制。这直接影响电池容量和电压等性质,在成本、寿命和续航能力上的优势很可能全面超越锂离子电池。目前,全世界的许多电池科学家都在致力于双离子电池的开发,包括特斯拉在内的诸多企业也参与其中。相信不久的将来,电池技术革新必将推动电子设备大迭代。

图片来源于网络


人工智能


人工智能正在改变我们的社会,在化学领域也不例外。研究人员利用机器学习完善算法,开发出的人工智能可以加速结构解析,增强逆合成分析,优化反应序列,甚至发现新的药物。本平台今年也为大家优选了不少与人工智能相关的化学研究资讯(例如:报道一报道二报道三)。相信不久的将来,人工智能在化学领域一定大有作为。


图片来源于网络


回望2020,虽然新冠疫情肆虐,但却没能阻碍技术发展的脚步。展望2021,各项技术日臻完善,科技进步必将改变人类现有生活。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ten Chemical Innovations That Will Change Our World

Fernando Gomollón-Bel

Chem. Int., 2020, DOI: 10.1515/ci-2020-0402


(本文由乐只君子供稿)


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