化学领域十大新兴技术，或将改变我们的世界

2019年，是化学领域特殊的一年，这一年，是国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)成立100周年!IUPAC是一个全球性组织，它为化学研究、教育和贸易建立了一种共同的语言。

在成立100周年纪念日上，IUPAC首次公布了化学领域十大新兴技术名单：纳米农药、对映选择性有机催化、固态电池、流动化学、反应挤出、用于集水的MOFs和多孔材料、选择性酶的定向进化、从塑料到单体、自由基聚合反应的可逆失活和3D生物打印。

化学家们认为这些新兴技术介于“新的科学发现和完全商品化技术”之间，有潜力成为21世纪的重大化学突破，改变世界，使地球更可持续发展。

1. 纳米农药

▲化学背景：

随着世界人口不断增长，到2050年，全球人口有可能达到100亿人。如何养活这么多人?世界各国必须在保持作物可持续发展的同时，大幅提高农业产量，尽量减少土地使用对环境的影响、减少用水量、减轻化肥或杀虫剂等农用化学品的污染。

▲技术发展：

纳米技术的出现契合了这种发展需求，并吸引了大量制药和卫生行业的广泛关注。量身定制的“纳米输送系统”，由于很好解决了传统农药诸如环境污染、生物积累、害虫抗性大幅增加等问题，将成为农民植保作业一个有力工具。

▲开发前景：

当然，关于纳米农药在田间地头的实际效果还待进一步评估，但这个技术应用前景毋容置疑。

2、对映选择性有机催化

▲化学背景：

化学家一直受到大自然的启发，几年前，研究人员梦想有一种新型催化剂，与大多数天然酶一样，且不需要使用昂贵的金属。“有机催化”诞生于20世纪90年代后期，从那以后它一直不断发展。根据该领域的领先专家之一Paolo Melchiorre的说法，有机催化是成功的，因为“它非常民主，每个人都可以在不需要昂贵的试剂或手套箱的情况下使用它，这使得许多年轻的研究人员能够开始他们独立的研究生涯，并迅速组建了一个国际专家社区，成为没有金属的催化思想的伟大孵化器，“他解释说。

▲技术发展：

最初，一些化学家批评有机催化不像它声称的那样绿色。它需要高催化剂负荷，且反应后很难回收催化剂，这似乎违背了催化的定义。然而，Melchiorre指出了研究人员应如何克服大多数这些问题，并表示有机催化的最初焦点是“开发新方法而不是降低催化剂负荷”。

▲开发前景：

由于化学家了解降低催化剂用量可能产生的工业影响，他们只使用百万分之几的有机催化剂来制定 手性碳 - 碳键 的方法。“这仍然无法与金属相媲美，但成本要低得多，”他补充道。

3、固 态 电 池

▲化学背景：

对于许多其他应用，聚合物可能是最好和最经济的解决方案。法国运输公司Bolloré已经在制造和商业化基于聚合物的固态电池，它们主要用于网络连接传感器。

▲技术发展：

根据聚合物专家Tanja Junkers的说法，“电荷输送聚合物确实令人着迷 ，但仍有许多研究要做，特别是由于固态电池组件如此紧密地结合在一起，以至于理解每个组件的行为都非常复杂。”

▲开发前景：

学术界和工业研究人员正在密切合作，开发出更好的非破坏性操作技术即电子显微镜和核磁共振，以了解固态电池的性能。对于大多数用途，该技术仍需要几年的开发。

4、流 动 化 学

▲化学背景：

早在2015年，麻省理工学院的化学家就证明了流动化学的潜力，可以创造出经典批次技术难以实现的定制聚合物。据该领域的专家介绍，其流程更快，更简单，更可靠，这与联合国可持续发展目标非常一致。

▲技术发展：

最近的实例甚至已经显示出流动化学可以承受有害试剂(如有机锂化合物)的潜力。化学家实现了100千克规模的verubecestat前体合成，这是一种治疗阿尔茨海默病的III期候选药物。最近的其他实例包括环丙沙星(一种必需的抗生素)的流动合成，该系统能够每天分析多达1500个反应条件。

▲开发前景：

该技术的发展，加速了新药和现有药物的最佳合成途径的发现。

5、反 应 挤 出

▲化学背景：

随着流动化学的发生，反应性挤出成为一种允许化学反应完全无溶剂化的技术。然而，它产生了许多工程挑战，因为它需要对现有的工业流程进行全面的重新设计。尽管挤出工艺已被聚合物和材料专家广泛使用和研究，但现在有其他化学家开始研究它们在制备有机化合物方面的可能性。

▲技术发展：

生物技术公司Amgen研发了优化的共晶合成技术，可用于治疗慢性疼痛，这也是机械化学合成的第一个例子，可扩大到数百克。此外，英国的科学家们已经使用反应性挤出进行有效的深低共熔溶剂制备。

▲开发前景：

前面的例子都涉及分子内相互作用，但不是新共价键的产生。然而，化学家们最近研发了金属有机骨架(MOFs)的形成和螺杆挤出的离散金属合成物，为更清洁，更可持续的无溶剂化学开辟了新的可能性。

6、用于集水的MOF和多孔材料

▲化学背景：

据联合国(UN)称，水资源短缺影响了全球40%以上的人口，最重要的是，十分之三的人无法获得安全管理的饮用水服务。像MOF这样的多孔材料具有海绵状化学结构，具有微观空间，可以选择性地捕获分子，从气体，水，到更复杂的物质，如药物和酶等。

▲技术发展：

虽然一些研究人员专注于MOF在药物输送和气体净化中的应用，但Omar Yaghi偶然发现了它们从大气中捕获水的巨大潜力。“当我们研究将燃烧后气体吸收到MOF中时，我们注意到一些MOF与水分子发生了独特的相互作用，”Yaghi解释道。他们想知道是否有相同的材料可以用于在干旱气候中从大气中捕获水分，然后很容易被释放用于收集。“这种技术是独一无二的，因为它可以从干燥的沙漠空气中获取可饮用量的纯净水，除了自然阳光之外不需要其他能量，”Yaghi说。

▲开发前景：

只需一公斤的MOF就能在湿度低至20%的情况下每天收获2.8升水。在开发更高容量，且更便宜的集水材料时，Yaghi在工业规模上测试了他们的MOF水收割机，及其他具有类似能力的多孔材料，如硅基、无机多孔固体及模拟仙人掌刺结构的仿生多孔表面材料。Yaghi认为，他们在从低湿度空气中吸收水的能力不如MOF。

7、选择性酶的定向进化

▲化学背景：

酶的定向进化获得了2018年诺贝尔化学奖。通过定向进化产生的酶可用于制造从生物燃料到药物的所有物质。

▲技术发展：

“定向进化需要对数万种变体进行实验测试，最终提供高活性酶，”研究人员Sílvia Osuna解释说，他通过先进的计算方法研究酶。她认为，与实验中人工进化的天然酶相比，通过合理设计产生的最活跃的酶“仍然表现得相当差。”

▲开发前景：

定向进化的局限性尚待发现。近日，研究人员使用定向进化“破解”植物酶细胞色素P450。现在，它们可以很容易地将碳 - 氢键转化为更复杂的不对称碳 - 碳键。

8、从塑料到单体

▲化学背景：

“循环经济无疑是目标，”Tanja Junkers说。化学家应该再次受到大自然的启发。在那里，“一切都被重复使用，我们应该对我们的合成材料做同样的事情。”

▲技术发展：

一些聚合物，如聚乳酸(PLA)，只需使用热量就可以很容易地再循环到其他的单体中。其他如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)可以有效分解成它们最基本的单体。首先，用乙二醇处理聚合物，乙二醇将长聚合物链断裂成低聚物。这些较小的碎片在较低温度下熔化，因此可以过滤以除去任何杂质。然后，一旦材料被净化，它就完全分解成单体，然后通过蒸馏再次纯化。

▲开发前景：

这种技术的开发，将解决长期可回收性的问题，并且找到合适的主要聚合物构件的来源。

9、自由基聚合的可逆失活

▲化学背景：

“自由基聚合反应失活(RDRP)是二十多年前发明的，它彻底改变了聚合物世界，”Junkers解释道。“这些方法都依赖于对其他几乎无法控制的链式反应实施控制的机制，使我们能够设计出与自然界接近的高精确度的聚合物，”她说。

▲技术发展：

RDRP聚合物已在各种领域中得到应用：建筑，印刷，能源，汽车，航空航天和生物医学设备只是其中的一些例子。“大多数时候，我们使用这些聚合物却没有意识到这一点”。

▲开发前景：

研究人员表示RDRP聚合物仍有很大的发展空间，特别是在寻找更环保的聚合解决方案方面。现在有许多方法只使用光来控制RDRP过程，该方法可用于流动系统，这将使它们朝着更加绿色的聚合物和塑料合成方向发展。

10、三维生物打印

▲化学背景：

生物打印是当今最有趣的技术之一。使用由活细胞以及生物材料和生长因子制成的3D打印机和墨水，化学家和生物学家已经设法制造出与其天然版本几乎无法区分的人造组织和器官。

▲技术发展：

目前，科学家们已经可以对管状组织(心脏，尿道，血管)，粘性器官(胰腺)和固体系统(骨骼)进行3D打印。最近，剑桥研究人员甚至设法对视网膜进行三维打印，仔细沉积不同类型的活细胞层，以产生一种在结构上类似于原生眼组织的构造。

▲开发前景：

3D生物打印可以彻底改变诊断和治疗方法，因此人工组织和器官可以很容易地用于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚至可以为不需要捐赠者的理想移植创造条件。

“化学十大新兴技术”中的每一项都具有促进社会福祉和地球可持续性的巨大潜力，从中可以看到化学在人类日常生活和未来发展中无处不在的贡献!未来，新技术的发展将持续可期!