從2019年國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）推出了“化學領域十大新興技術（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜單至今，五年已經過去（點擊回顧：2019年榜單、2020年榜單、2021年榜單、2022年榜單）。今年的評選強調化學與其他科學領域之間的合作——化學不僅僅是一門“中心科學”，它還是一門“連接科學”。這種交叉合作誕生了引人關注的新興技術，涵蓋了從合成和聚合物化學到健康和人工智能的一系列領域，有望連接學術界和工業界，促進可持續發展，為當前世界所面臨的多重危機提供合適的解決方案。
以下是今年的“化學領域十大新興技術”[1-3]：
- 可穿戴傳感器
- 光催化產氫
- 氯化物介導的海洋CO2去除
- 化學中的GPT語言模型
- 合成電化學
- 人造肌肉
- 噬菌體療法
- PET的生物回收
- 解聚
- 低糖疫苗接種
可穿戴傳感器
近年的新冠大流行加速了可穿戴傳感器（比如銷售火爆的便攜式血氧儀）的應用。除了監控健康和睡眠質量，可穿戴傳感器還可實時提供與身體狀態相關的生理、生化和物化數據。它們可以檢測各種生物標志物，讓佩戴者可以更自由地了解各種健康指標，協助疾病的診斷和治療。光譜方法，如熒光、拉曼、阻抗和超聲波，被用于可穿戴傳感器，為測量方法增加了新的可能。此外，微針等創新也帶來了檢測生物標志物和直接按需給藥的機會。所有這些發展，再加上大數據和人工智能，為傳統臨床檢測提供了一種低成本、非侵入性的替代方案，有希望徹底改變醫療健康領域。
一種便攜式汗液分析裝置。圖片來源：Nature, 2016, 529, 509
光催化產氫
氫能本身無疑是清潔能源，但當今市場99%的氫仍然來自化石燃料。光催化分解水生產“綠氫”可能會改變可再生能源和燃料生產的游戲規則，在運輸、工業和能源儲存方面有潛在的應用。要看到，研究人員仍在解決與反應效率相關的挑戰，但規模化生產還是有希望實現的，規模達100平方米的太陽光催化分解水制氫試驗性裝置已經在運行中（Nature, 2021, 598, 304，點擊閱讀詳細）。此外，化學家和生物學家之間的合作也帶來了鼓舞人心的進展，他們利用酶和生物過程從可再生資源中產生清潔的氫。
100平方米的光催化水裂解反應器單元及陣列。圖片來源：Nature, 2021, 598, 304
氯化物介導的海洋CO2去除
多年來，海洋一直是地球氣候危機的關鍵“緩沖帶”，吸收了很大一部分碳排放和多余的熱。然而，海洋的緩沖能力也并非無限，過量的二氧化碳正在酸化海水，損害海洋生態系統。幸運的是，化學家們已經提出了一項新的技術，通過電化學方法使用氯化物循環從海水中去除多余的二氧化碳，無需昂貴設備，易于規模化（Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030）。初步研究表明，這種具有成本效益的除碳過程中，每噸二氧化碳的成本僅為56美元。
氯化物介導的電化學方法除去海水中CO2。圖片來源：Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2030
化學中的GPT語言模型
像ChatGPT這樣的人工智能大語言模型可以徹底改變當前的化學研究和教育，其應用包括蛋白質結構預測、反應產量預測、路線設計，甚至機器人反應器和分析的自動化。當然，這些大語言模型也帶來了不少問題，比如偽造研究論文和同行評議。盡管如此，ChatGPT模型在教育、文獻審閱和信息檢索方面具有很大的應用潛力，可以為研究者騰出時間進行更具創造性和建設性的工作。
合成電化學
目前的化學工業中，電化學正在慢慢地重獲關注。改進的電化學工藝帶來了更高的效率，以及化學轉化中更優的化學和區域選擇性。合成電化學最近在選擇性還原反應、醚的合成、Birch反應、碳氫鍵的氧化和氟化以及許多其他反應中取得了不錯的進展。此外，創新的實驗設備提高了電合成的效率，簡化了操作，使得其他非電化學專業的實驗室也能更容易地進行電合成。該領域與綠色化學密切相關，具有高安全性、高可靠性和低能耗等關鍵優勢，許多化工企業都在采用可持續的電合成工藝來降低成本和減少碳排放。
合成電化學。圖片來源：Acc. Chem. Res., 2020, 53, 72
人造肌肉
人造肌肉這一概念最早可以追溯到幾個世紀前Robert Hooke（就是提出胡克定律、發明顯微鏡的那位英國科學家）所提出的原始想法。近年來，人造肌肉獲得了巨大的發展，成為化學和材料科學的前沿，對機器人、假肢和醫療健康領域意義重大。這些人造纖維基于聚合物（電響應彈性體）以及液晶，模仿肌肉中的肌球蛋白和肌動蛋白，能實現致動和運動等功能。人造肌肉應用范圍廣泛，從下一代機器人到精準生物醫學設備，可在總體上提高患者的生活水平，并且在醫療健康領域以外也表現出巨大的應用潛力。
類似人類肌肉的人造肌纖維。圖片來源：Nat. Nanotechnol., 2022, 17, 1198
噬菌體療法
上個世紀，科學家就曾設想使用噬菌體對抗細菌感染，甚至在某些情況下對抗其他疾病。近年來，人們對將噬菌體用于疾病治療重燃興趣，也在多個領域做出了成績。例如，化學已經成為增強噬菌體活性的關鍵，利用諸如封裝之類的技術來增加其穩定性、可用性和藥物傳遞的靶向性。此外，噬菌體還在納米醫學、蛋白質組學、超分子化學和材料科學方面帶來了不少新的發現。
PET的生物回收
塑料污染，是當今世界所面臨的最大問題之一。全球只有9%的塑料產品被妥善處理和回收。化學可以幫助解決這個問題，這要歸功于各種塑料降解酶的發現。例如，法國的科學家重新設計了角質酶LCC，基因改造后的酶不但可以高效降解聚對苯二甲酸乙二酯（PET），而且降解產物可以重新作為合成PET的原料，實現了完美的循環再利用（Nature, 2020, 580, 216， 點擊閱讀詳細）。值得一提的是，這些科學家并未止步于實驗室研究，而是創立公司并商業化這種新技術。他們正在考慮在2025年之前建立一個每年可回收5萬噸PET（相當于20億個飲料瓶）的工廠。
圖片來源：Carbios公司
解聚
這是今年針對塑料污染問題的第二項新興技術。解聚為各種化學回收和升級回收工藝打開了大門，幫助人們重新利用各種聚合物，包括PET、聚丙烯（PP）、聚酰胺和聚氨酯。相關創新技術包括合理設計聚合物以及回收反應，以再利用單體和塑料廢物，并將其轉化為有價值的資源。化學回收和升級回收過程可為循環經濟鋪平道路，合理設計和減少添加劑使用可確保新生產的聚合物和塑料的安全性，并符合可持續發展的要求。
低糖疫苗
了解聚糖和“糖組（glycome）”對于開發疫苗、治療疾病和推進生物醫學研究至關重要。“低糖”疫苗是一種目前尚處于研發早期的創新性技術，有望增強免疫反應，徹底改變我們與病毒之間的斗爭形勢。值得一提的是，減少病毒蛋白的糖衣可暴露相關區域并引發更強的免疫反應，在體外研究中已經顯示出非凡的應用前景。使用這種方法，我們可以制造出更強大、更有效的針對SARS-CoV-2、HIV和其他病毒的疫苗。一些生物技術公司和制藥公司正在考慮進行體內和臨床研究，以促進其商業化。
參考資料：
1. IUPAC ANNOUNCES THE 2023 TOP TEN EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY
https://iupac.org/iupac-2023-top-ten/
2. IUPAC’s 2023 Top Ten Emerging Technologies in Chemistry. Chem. Int., 2023, 45, 14-22. DOI: 10.1515/ci-2023-0403
https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ci-2023-0403/html
3. IUPAC’S TOP 10 EMERGING TECHNOLOGIES IN CHEMISTRY
https://blog.degruyter.com/iupacs-top-10-emerging-technologies-in-chemistry/
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