2019年，IUPAC介紹了化學領域十大新興技術[1]。這一倡議不僅是為了紀念IUPAC的100周年，也是為了紀念門捷列夫最著名的化學符號首次出版150周年的元素周期表國際年。每一年，化學領域都會推出十大具有巨大潛力且創新的新興技術，而這些將改變目前的化學和工業格局[2]。
化學領域十大新興技術也符合聯合國可持續發展目標(SDG)。所選的技術將使我們的世界變得更美好，使我們的資源得到更周到的利用，有利于更有效的轉型，并在新材料、更高效的電池、極其精確的傳感器和個性化醫藥等應用領域提供更可持續的解決方案。
此外，今年的世界正面臨前所未有的挑戰——抗擊自1968年香港流感以來最嚴重的一場大流行病。COVID-19已經在許多層面影響著人類的社會，并極有可能以人類尚未預料到的方式改變人類的生活。在這場全球抗擊冠狀病毒的戰斗中，化學家將發揮關鍵作用。從肥皂和清潔水到測試和新藥，化學將是戰勝這一新的威脅的最重要的因素。
這十大新興技術依次是：雙離子電池（Dual-ion batteries）、聚集誘導發光（Aggregation-induced emission）、微生物組和生物活性化合物（Microbiome and bioactive compounds）、液體門控技術（Liquid gating technology）、更利于塑料回收的大分子單體（Macromonomers for better plastic recycling）、高壓無機化學（High-pressure inorganic chemistry）、人工智能（Artificial intelligence）、納米傳感器（Nanosensors）、核糖核酸疫苗（RNA vaccines）和快速診斷測試（Rapid diagnostics for testing）。
其中，有兩項是由我國科學家們引領的新興方向，“聚集誘導發光”和“液體門控技術”。
雙離子電池
正如人們所知，電有一個重大的缺陷，它是如此的難以存儲。迄今為止，最好的解決方案之一是鋰離子電池，這一進步也得到了2019年諾貝爾化學獎的認可。在過去的幾十年里，這些設備使目前用于筆記本電腦、移動電話和電動汽車的儲能設備小型化成為可能。盡管其能量密度很高，鋰離子電池仍然存在一些缺點。此外，鋰和鈷的稀缺限制了未來的發展，同時與可持續發展目標發生了沖突。因此，像雙離子電池(DIBs)這樣的新設備已經引起了科學界的注意[3]。在傳統的鋰離子電池中，只有陽離子在電解質中移動，而在DIBs中，陰離子和陽離子都參與了能量存儲機制[4]。
DIBs的電極可以使用廉價而豐富的材料、借助更環保的方法來制造。此外，研究人員設想利用水處理來制造DIBs，提高可持續性并降低成本。雖然第一個DIB原型也依賴于鋰，但現在化學家們已經找到了新的解決方案，使用鈉、鉀或鋁，這些都是豐富的和廣泛的世界范圍內。盡管幾年科學家也發現，DIBs仍然面臨著一些挑戰，研究人員需要更好地了解它們的機制[5]，以提高它們的能力、可逆性和壽命。然而，工業創新正開始蓬勃發展。但綜上，DIBs在成本、壽命和可持續性方面具有一系列優勢，這些優勢與SDG7一致[6]。
聚集誘導發光
聚集誘導發光是中國原創的、耕植于祖國大地的新興技術。據不完全統計，全世界共有80余個國家和地區的4500余單位的研究人員正在從事AIE相關的研究工作。
相對于成熟的無機發光材料，有機發光材料的應用研究尚處于攻關階段，但是其分子結構設計的靈活性和材料功能的可調諧及預計性逐步被業界認可，已成為材料學、化學、物理學和電子學等領域共同關注的研究熱點，具有潛在的巨大商機。然而，許多有機分子由于其平面的共軛結構使其在稀溶液中發光很強，但在高濃度溶液中或在聚集（納米粒子、膠束、固體薄膜或粉末）狀態下熒光變弱甚至完全消失，這就是斯托克斯和福斯特等人定義的濃度猝滅效應（concentration quenching effect），即更普適的聚集導致猝滅（aggregation-caused quenching, ACQ）熒光現象。ACQ似乎是有機發光材料的阿喀琉斯之踵，讓英雄前行的盔甲染上了黯然之色。
盡管人們已經采用化學、物理或工程的方法或手段來降低分子間的聚集，抑制有機發光材料的ACQ效應，然而效果并不理想。分子聚集常常只是部分或暫時被抑制，而在很多情況下，單分子原本優異的光學性能也在修飾中大打折扣。從物理化學的焓熵角度講，有機化合物在固態下的聚集行為是一個自然發生的過程，刻意抑制分子聚集并不能從根本上解決ACQ問題。目前對有機發光材料的激子行為、衰減速率和發光效率等的本征研究，一般都在氣態或極稀溶液中進行，以實現對分子本質結構—效能關系的無干擾分析。然而，有機發光材料多在聚集態下應用，如作為薄膜應用于OLED器件，作為納米粒子或膠束應用于水系或生物體系。這時，分子不再保持單分子行為，在外圍條件作用下，發光的單個分子反而會因為聚集而出現發光強度的減弱。往往是分子聚集越多，發光越弱——陷入了“三個和尚沒水喝”的困境。
2001年，唐本忠教授課題組另辟蹊徑，提出了充分利用有機分子的聚集來實現聚集態熒光增強，即聚集誘導發光（aggregation-induced emission，AIE）。作為AIE研究的全球引領者，唐本忠院士立足于當今時代浪潮，致力于將AIE的基礎研究實現產業轉化。
自提出AIE以來，化學家們已經發現了一些具有這種性能的化合物，包括經典的發光材料，如多芳族化合物和有機金屬配合物，以及非傳統發光材料，如非芳香性聚合物、低聚糖和納米顆粒。AIE為高性能發光材料的開發開辟了新的途徑，它已經在OLED設備、化學/生物傳感和新型生物成像上得到了應用。事實上，推廣AIE技術的初創企業正在蓬勃發展[7,8,9]。
微生物組和生物活性化合物
據研究，超過10萬億的微生物生活在人體的腸道、呼吸道和皮膚里。這些微生物群可能會改變人類的行為，研究表明，它甚至可能引發癌癥等疾病，并決定人類對治療的反應。所有這些細菌不斷釋放代謝物以回應環境中的不同刺激。化學可以在篩選和識別這些不同的分子中發揮關鍵作用，這些不同的分子最終可以被分離出來作為新的治療候選物。
最近，普林斯頓的一個團隊將這種方法提升到了一個新的高度[10]。利用不同的計算工具，他們分析了細菌基因組，并確定了編碼小分子生物合成的基因簇。然后，他們將這些指令表達到基因修飾過的細菌中，得到了一系列具有強烈抑菌活性的分子。盡管這一先進的功能宏基因組在過去幾十年里進展緩慢，但這一新的發展被描述為一種改變游戲規則的方法，有可能徹底改變發現[11]。人類體內的微觀生命極其多樣化。化學家和生物化學家可能會在細菌基因組中的新的生物活性化合物中發現大量的編碼，直接促成SDG 3。理解和解開微生物群的秘密可能會徹底改變醫療保健的未來。
液體門控技術
使用液體作為結構材料來建造響應式閥門的想法聽起來有些不可思議。然而，在2015年，由侯旭等人首次提出的“液體門控”這個新概念，并在最近的幾年，逐漸將該原創概念發展成形，讓這個想法成功地走進了現實。
通常來說，傳統液體膜體系的作用機理在于兩相界面上濃度或電位的化學勢差異，而液體門控膜的作用機理則依賴于毛細管作用對壓力變化所產生的響應。通過液體的動態重構與可逆恢復，液體門控體系可以實現孔道的開關功能以及可調的壓強控制性能；通過對膜孔道的修飾和門控液體的選擇，可實現門控體系對所傳輸物質的物理或者化學響應。結合以上兩種特性，液體門控技術就可以對所通過的物質包括氣體，液體以及多相混合液體進行動態分離，并且它具有優異的抗污染和節能等性能，有望大幅延長膜材料的使用壽命，提高傳統膜系統的普適性，這對膜科學與技術、微流控等多個交叉學科的發展帶來了具有里程碑式的意義。因此，專家們認為這項新興技術將在大規模過濾和分離過程中起到非常重要的作用。
同時，液體門控技術被認為可以加速實現“聯合國的可持續發展目標6”的計劃，該計劃旨在確保人人都能獲得清潔用水和衛生設施；并且，液體門控技術不需要消耗電能，可以節約傳統技術所需要的巨大能量消耗。侯旭教授課題組引領的液體門控技術的研究在許多其它的領域也得到了廣泛的應用，比如化學傳感檢查，生物3D打印和微流控芯片等。
盡管液體門控技術是一項新興技術，但已經被認為是有望迅速擴大規模，并被國際化工的龍頭企業所采用的變革性技術。[12,13,14]
高壓無機化學
在壓力下，人類的表現都不一樣，化學物質也不例外，最異常的現象發生在極端條件下。例如，研究人員已經將苯擠壓成超強、超薄的金剛石納米線，最近還提供了制備金屬氫的光譜證據。高壓科學不再是一個束之高閣的領域[15]。
這些實驗通常會涉及到高達500 GPa的壓力，相當于平均大氣壓力的100萬倍。為了達到這些巨大的強度，科學家需要將他們的樣本夾在兩個金剛石尖端之間，這通常被稱為金剛石砧胞。進一步的增強，如結合高能量X射線金剛石砧，允許更高的壓力，達到極限約640 GPa。
在超高壓下，化學鍵合的規律會重塑。化學計量定律在這里變得模糊了——研究人員已經從鈉中分離出了普通鹽的“表親”，Na3Cl到NaCl7。此外，一些在室溫環境條件下是惰性的化合物，高壓下突然變得具有反應性，如氮氣、一氧化碳和二氧化碳，在極端的壓力和溫度下聚合，產生的產物，在某些情況下，可以減壓存活，在大氣壓下可以分離出來[16]。高壓還能提高發光性和超導性等眾所周知的性能。
化學在這些條件下變得非常復雜，但同時也變得非常有趣。識別在超高壓下發生的轉變，可以產生新的分子種類和具有前所未有的性能的新材料，如室溫超導性或超硬度。
大分子單體為更好的塑料回收
2020年是赫爾曼·斯托丁格(Hermann Staudinger)著名的聚合宣言發表100周年。化學在人造聚合物的發展中扮演了關鍵的角色，耐用和多功能的材料改變了我們的文明。然而，上述持久性對我們不利：二十世紀的基石現在到處都是，在人類的陸地上堆積，污染我們的海洋。一些專家預測，到2050年，海洋中塑料的總量將超過魚類的總量[17]。現在，化學家必須找到一種解決方案。
許多研究小組正在尋找更有效的方法來回收人類所知道的聚合物，就像去年IUPAC的十大化學新興技術一樣[1]。此外，其他小組正在研究新型聚合物，這種聚合物很容易回收。解決方案包括在紫外線照射下分解的塑料，以及帶有響應“端帽”的大分子，可按需觸發解聚作用。
重新設計的單體和大分子單體是一個積極的戰略，以工藝更可持續的塑料。化學家依賴于自由基開環反應，這種反應可將異質原子和酯等官能團合并到傳統的全碳主鏈結構中。所得到的聚合物更容易水解和回收。最近，幾個研究小組對這項技術進行了優化，提供了范圍廣泛的生物降解塑料，保持了傳統聚合物的吸引人的特性[18]。從廣泛使用的內酯開始[19]，研究人員開發了一種強而穩定的聚合物，可以在溫和的條件下反復回收。
人工智能
人工智能正在改變人類的社會。隨著它在金融、司法、交通乃至醫療領域的應用，其市場價值正呈指數級增長。化學也不例外。研究人員訓練算法以加速結構解析，增強逆轉錄分析，設計優化反應序列，發現新藥，甚至運行未來機器人實驗室。可能性是無限的。化學家和發明家李·克羅寧相信，在未來，人類將忘記化學家曾經是人類。
人工智能在化學上的應用才剛剛開始，最大的進步還沒有到來[20]。研究人員預測，這些技術具有巨大的潛力。除此之外，他們預計化學反應將變得更可重復，更容易擴展，最終更環保，更高效。多虧了高通量方法和自動化分析的結合，化學家可以控制和加速意外發現，把意外發現變成徹底和精心計劃的搜索[21]。所有這些策略都可以加速科學突破，解決日益復雜的問題。
算法還可以解決更廣泛的問題。例如，機器可以系統地分析科學文獻，并從幾乎曾經發表過的每一條數據中學習。這不僅可以幫助我們認識趨勢，還可以為能源、氣候變化、環境和健康等更大的挑戰找到可能的解決方案。事實上，最近的研究表明，人工智能對實現SDG有積極影響，有望使134個目標得以實現。
科技將提升人類作為化學家的角色。人工智能不會取代人類，它將增強化學發現，同時將人類從平凡和重復的任務中解放出來。因此，人類將專注于創造力，實現僅僅被人類的想象力限制的飛躍[20]。
納米傳感器
傳感器檢測環境的變化。在化學中，感應過程包括兩個步驟識別，當分析物分子遇到它們的受體；轉導，將事件轉換成輸出信號[22]。納米傳感器的工作方式與此類似，只是它們使用納米材料作為活性元素。化學納米傳感器被用于從污染監測和食品質量控制到安全和醫療保健的無數應用中。
傳感器領域已經發展到檢測單分子的程度。這被稱為“最高靈敏度，在醫療保健應用程序中至關重要，在這些應用程序中，檢測單個實體可能事關生死。”單分子傳感還提供了額外的好處，比如可以輕松地測量樣品中的異質性，或者可以進行無校準的測量。專家們相信，這些技術可能會改變傳統模式[23]。
化學和材料科學的進步帶來了重大的進步。研究人員已經探索了種類繁多的納米材料——金屬、氧化物、碳納米管、石墨烯、聚合物，由于它們的高表面體積比，為傳感提供了顯著的好處。納米傳感器應用于分析化學的許多領域。近年來，由于冠狀病毒SARS-CoV-2引起的大流行，抗體引起了人們的廣泛關注。幸運的是，化學家利用納米材料的獨特特性制造出了極其敏感和特異性的抗體納米傳感器[24]。例如，金納米顆粒能夠在15分鐘內檢測出SARS-CoV-2。
納米傳感器將變得越來越受歡迎，幫助我們區分新鮮食品和即將過期的產品，或提高我們探測之前未知腦電波的能力，開啟治療癲癇等疾病的潛在方法。傳感器將幫助我們更好地了解我們生活的世界。
RNA疫苗
疫苗使人類的免疫系統能夠抵抗疾病。通過不同的媒介，疫苗誘導抗體的產生，抗體分子識別并引發對病原體的破壞。尤其是，RNA疫苗有一個非常聰明的方法來實現這一目標，給病人注射編碼抗原產生的RNA序列，最終刺激免疫反應和抗體的合成。雖然RNA疫苗尚未批準用于人類，但它們已在臨床試驗中顯示出有希望的結果[25]。他們提供快速解決方案以防止新型SARS-CoV-2冠狀病毒感染的潛力再次使他們受到關注。
RNA疫苗的優點之一是它們的合成可以很容易地擴大規模。為了開發經典疫苗，研究人員需要在細胞培養中培養感染因子，這需要使用大容量的反應器和大量的時間。另一方面，RNA鏈可以使用經過優化的方法進行合成——甚至自動化已經有幾十年了。此外，RNA疫苗可以很快設計出來。倫敦帝國理工學院的Robin Shattock團隊在獲得COVID-19病毒基因組序列的兩周內研制出了一種候選疫苗。該研究小組相信，他們可以在明年獲得初步結果。與傳統疫苗相比，這是一個真正的優勢，傳統疫苗通常需要長達10年的研發和平均5億美元的投資才能進入市場。
除了COVID-19，科學家們還在探索RNA疫苗預防其他傳染病的潛力，如寨卡病毒、狂犬病、艾滋病毒、流感，甚至癌癥。研究表明，RNA疫苗可以刺激對癌細胞的免疫反應，使其成為一種新的免疫療法的有吸引力的替代品[26]。
盡管RNA疫苗領域還很年輕，但在未來幾年可能會迅速發展，特別是考慮到生產的速度和適應性。此外，如果針對COVID-19的RNA疫苗成功并快速進入市場，這將進一步促進該技術的發展[27]。
快速檢測診斷
快速診斷試驗是適用于快速醫學篩查的化學分析方法。它們通常包含一系列易于操作的步驟，并在幾分鐘內提供結果。此外，這些測試很少需要額外的設備，便于在資源貧乏的環境中使用。最著名的例子可能是家庭驗孕儀，僅在美國每年就售出3500萬份。也有快速的測試來診斷疾病，如瘧疾、艾滋病和流感。
由于化學反應，快速測試才會奏效。通常，它們利用抗體來檢測抗原的存在。抗體與不同類型的探針相連接，如果測試呈陽性，探針會發生一定的化學反應，這通常涉及到顏色的變化，從而使結果的解釋非常簡單。
當前COVID-19大流行導致實驗室設備短缺，無法進行更徹底的PCR檢測。因此，世界各地的科學家已優先發展快速檢測方法，以檢測SARS-CoV-2并診斷受該病毒引起的COVID-19疾病折磨的人。其中一些依賴于RNA鏈而不是抗原的檢測，并在半小時內交付結果。制藥公司雅培(Abbott)開發了一種COVID-19測試，據稱使用了環介導的等溫放大[28]，只需5分鐘就能得出結果。但是，后者需要一些實驗設備。
目前，世界衛生組織(世衛組織)不建議在COVID-19患者護理中使用檢測抗原的快速診斷測試。到目前為止，只有三家公司獲得了美國食品和藥物管理局的緊急使用許可和歐盟委員會的CE標志Autobio Diagnostics、CTK Biotech和Hangzou Biotech。因此，化學家需要與時間賽跑，以開發出一種合適的替代品，能夠及時產生顯著的結果。
未來化學的可持續發展
化學為人類提供了一套無限的工具，來重塑世界，使之成為一個更安全、更可持續的未來。從設計更有效的測試方法到開發成功的治療方法，化學將是應對當前COVID-19大流行的核心。COVID-19大流行是人類社會在過去幾十年里面臨的最困難的挑戰之一。此外，人類在阻止冠狀病毒的傳播并為有需要的人提供醫療服務的同時，必須謹記即將出現的其他威脅，如污染、氣候變化和循環經濟等。化學科學的創新對于實現聯合國制定的可持續發展目標(SDG)中的大多數目標至關重要，這些目標旨在促進繁榮，同時保護地球。這與IUPAC的主要使命完全一致，即為人類和世界的最大利益應用和傳播化學知識。這個新版本的十大新興化學技術保持了同樣的精神，促進化學保護社會和人類的地球的基本作用。
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以上文章編譯自Ten Chemical Innovations That Will Change Our World，Chemistry International, October-December, 2020
原文鏈接：https://iupac.org/etoc-alert-chemistry-international-oct-dec-2020
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