在近日舉行的第四屆世界科技與發(fā)展論壇閉幕式上，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)執(zhí)委會(huì)委員、中國化學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)帥志剛發(fā)布了2022年度IUPAC化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)。這十大新興技術(shù)中包括了多項(xiàng)由中國化學(xué)家領(lǐng)銜的研究項(xiàng)目，如中國科學(xué)院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的納米酶、陜西師范大學(xué)房喻院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的薄膜熒光傳感器、中國科學(xué)院大連化物所李燦院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的液態(tài)太陽燃料、復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的纖維電池和織物顯示器。
納米酶：疾病診療的新手段
納米酶是一種神奇的納米材料。它具備天然酶的屬性，能在溫和條件下高效催化酶的底物，產(chǎn)生與天然酶相同的反應(yīng)產(chǎn)物，并可作為酶的替代品調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝，用于疾病的診斷和治療。與天然酶只能在特定溫度和pH值范圍內(nèi)工作不同，納米酶可以承受惡劣條件，并可實(shí)現(xiàn)持久、安全和穩(wěn)定的存儲(chǔ)。
納米酶是閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)于2007年在國際上首次發(fā)表并命名的。國際同行認(rèn)為，這是酶學(xué)史上一個(gè)里程碑式的事件?？梢哉f，納米酶的發(fā)現(xiàn)，模糊了無機(jī)材料與有機(jī)生物的界限，促進(jìn)了納米科學(xué)與醫(yī)學(xué)的交融。
閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于納米酶的機(jī)制及應(yīng)用研究，并發(fā)展多項(xiàng)基于納米酶的新技術(shù)。他們?cè)O(shè)計(jì)并研發(fā)出用于疾病診斷的納米酶試紙條，成為全球首個(gè)納米酶新產(chǎn)品;通過創(chuàng)制多酶活性納米酶，利用腫瘤微環(huán)境啟動(dòng)過氧化物酶活性催化產(chǎn)生活性氧殺死腫瘤細(xì)胞，探索納米酶催化治療新策略。其納米酶應(yīng)用的相關(guān)研究成果先后獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和Atlas國際獎(jiǎng)。目前，全球有29個(gè)國家的290個(gè)實(shí)驗(yàn)室從事300余種納米酶研究，應(yīng)用研究涉及生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理等，形成了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。
薄膜熒光傳感器：高效靈敏的檢測(cè)設(shè)備
薄膜熒光傳感因其優(yōu)異的靈敏度、選擇性、可調(diào)性與普適性等特征被認(rèn)為是繼離子遷移譜之后最具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒑哿课镔|(zhì)探測(cè)技術(shù)。在對(duì)應(yīng)的器件中，具有熒光活性的分子通常被固定于尺寸可小至1厘米以下合適的基質(zhì)上，形成具有對(duì)外界刺激快速可逆響應(yīng)的2D或3D薄膜材料，發(fā)揮著對(duì)微痕量物質(zhì)的高效探測(cè)功能。該類熒光傳感器具有尺寸小、功耗低和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式傳感器的創(chuàng)制方面具有突出優(yōu)勢(shì)。
自1998年以來，房喻團(tuán)隊(duì)針對(duì)熒光傳感技術(shù)中薄膜熒光傳感易受環(huán)境因素干擾，選擇性和靈敏度等難以滿足特殊檢測(cè)需要等難題，開展了深入全面的研究工作。目前，房喻團(tuán)隊(duì)已將薄膜熒光傳感器用于高效檢測(cè)爆炸物(三硝基甲苯)，大氣污染物(氨類化合物、氮氧化物、有機(jī)揮發(fā)物)，以及殺蟲劑、神經(jīng)毒劑、尼古丁、病原體等，并創(chuàng)造了迄今響應(yīng)速度最快、靈敏度最高的爆炸物與毒品類薄膜熒光探測(cè)紀(jì)錄。房喻團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的毒品薄膜熒光傳感器和探測(cè)裝備也開始獲得應(yīng)用。涉及神經(jīng)毒劑、病原體等高危物質(zhì)超靈敏探測(cè)的薄膜熒光傳感器和裝備研制也在有序推進(jìn)中。
液態(tài)太陽燃料：瓶裝的可再生能源
植物通過光合作用將二氧化碳和太陽能轉(zhuǎn)化為葡萄糖。同樣化學(xué)家通過創(chuàng)制“人工光合作用”模擬這一過程。液態(tài)太陽燃料技術(shù)就是這樣一種模擬自然光合作用的人工光合成技術(shù)，利用太陽能、水和二氧化碳生產(chǎn)甲醇等富含能量物質(zhì)，有望替代當(dāng)下的化石衍生燃料。此外，液態(tài)太陽燃料同電池一樣，可提供間歇性可再生能源儲(chǔ)存的新機(jī)會(huì)。液態(tài)太陽燃料技術(shù)也因此被認(rèn)為是“瓶裝可再生能源”和生產(chǎn)綠色化學(xué)品的戰(zhàn)略。
太陽燃料示范工廠已開始在世界各地出現(xiàn)，美國、歐洲和亞洲的投資機(jī)構(gòu)都在推動(dòng)在該技術(shù)領(lǐng)域的合作。2019年，李燦團(tuán)隊(duì)與蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)合作，在蘭州新區(qū)啟動(dòng)了國內(nèi)第一個(gè)太陽燃料生產(chǎn)示范工程——二氧化碳加氫合成甲醇技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。2020年1月，項(xiàng)目首次試車成功并生產(chǎn)出60%的粗甲醇，邁出了液態(tài)太陽燃料工業(yè)化生產(chǎn)第一步。液態(tài)太陽燃料合成項(xiàng)目被列入中國科學(xué)院2020年一季度重大科技成果轉(zhuǎn)化亮點(diǎn)工作，榮獲2021年度中國可再生能源學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和首屆香港TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽金獎(jiǎng)。
纖維電池：可穿戴設(shè)備的新選擇
纖維電池的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電池完全不同，呈現(xiàn)出近乎一維的設(shè)計(jì)，具有柔軟、穩(wěn)定、安全等優(yōu)勢(shì)。此外，由纖維電池編織得到的電池“織物”可適應(yīng)多種不同變形和應(yīng)用，更適合應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備。
在電子器件都朝著微型化、柔性化、集成化方向發(fā)展時(shí)，學(xué)界主流的研究方向是薄膜，纖維電池卻鮮有問津。很多科學(xué)家認(rèn)為，纖維電池的內(nèi)阻隨長(zhǎng)度增加而增大，無法實(shí)現(xiàn)電池高性能化和大規(guī)模應(yīng)用。彭慧勝團(tuán)隊(duì)在多年研究中發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池內(nèi)阻與長(zhǎng)度之間具有獨(dú)特的雙曲余切函數(shù)關(guān)系，即內(nèi)阻隨長(zhǎng)度增加并不增大，反而先下降后趨于穩(wěn)定。
在此理論指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的纖維鋰離子電池具有優(yōu)異且穩(wěn)定的電化學(xué)性能，能量密度較過去提升了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，彎折10萬次后容量保持率超過80%。該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了纖維電池的規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)，建立了世界上首條纖維鋰離子電池生產(chǎn)線。其生產(chǎn)的纖維鋰離子電池系統(tǒng)，電化學(xué)性能與商業(yè)鋰離子電池相當(dāng)，而穩(wěn)定性和安全性更加優(yōu)異。
三星和華為等公司也在研究纖維電池的應(yīng)用潛力，其市場(chǎng)規(guī)模將隨著可穿戴設(shè)備和印刷電子產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而增長(zhǎng)。
織物顯示器：穿在身上的顯示器
隨著高速通信和連接設(shè)備的興起，研究人員開始在織物顯示領(lǐng)域進(jìn)行探索。這類器件將變革電子產(chǎn)品以及交互方式，并催生新一代可穿戴電子設(shè)備和智能紡織品的商業(yè)化。
在傳統(tǒng)方法中，可穿戴設(shè)備依賴于貼在織物和紡織品表面的薄膜顯示屏進(jìn)行顯示。而織物顯示器件的方法與之完全不同，直接將能夠發(fā)光的纖維編織成柔軟的織物顯示器。彭慧勝團(tuán)隊(duì)研制出兩種功能纖維——負(fù)載有發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維，通過兩者在編織過程中的經(jīng)緯交織，形成電致發(fā)光單元，并通過有效的電路控制制備出新型柔性顯示織物。
與傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件相比，織物顯示器發(fā)光纖維的直徑可在0.2~0.5毫米精確調(diào)控，使其具有超細(xì)超柔的特性。以此編織而成的衣物，能緊貼人體不規(guī)則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。
研究人員正在研究規(guī)模化制備織物顯示器的可能性。雖然其應(yīng)用目前主要聚焦在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，但未來大面積織物顯示屏有望應(yīng)用于家居、廣告宣傳等。（陳菲）
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