近日，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）公布了2021年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)榜單。
2021年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)
區(qū)塊鏈技術(shù) Blockchain technology
半合成生命體 Semi-synthetic life
超浸潤(rùn)性 Superwettability
人工腐殖質(zhì) Artificial humic matter
RNA和DNA的化學(xué)合成 Chemical synthesis of RNA andDNA
聲化學(xué)涂層 Sonochemical coatings
生物用化學(xué)發(fā)光 Chemiluminescence for biological use
氨的可持續(xù)生產(chǎn) Sustainable production of ammonia
靶向蛋白降解 Targeted protein degradation
單細(xì)胞代謝組學(xué) Single cell metabolomics
區(qū)塊鏈技術(shù)，數(shù)字化的進(jìn)步使化學(xué)創(chuàng)新更具可重復(fù)性和可追蹤性
區(qū)塊鏈可以存儲(chǔ)不同類(lèi)型的信息，但迄今為止最常見(jiàn)的用途是作為交易的數(shù)字分類(lèi)賬。值得注意的是，區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕模虼藳](méi)有任何個(gè)人或團(tuán)體可以控制，并且輸入的數(shù)據(jù)會(huì)被永久記錄和訪問(wèn)。英國(guó)化學(xué)家已經(jīng)嘗試使用區(qū)塊鏈來(lái)跟蹤一系列簡(jiǎn)單的計(jì)算，其中每個(gè)階段的過(guò)程都被記錄下來(lái)并在數(shù)字分類(lèi)賬中共享。一些化工公司已經(jīng)創(chuàng)建了基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的現(xiàn)代化，從而實(shí)現(xiàn)安全交易和持續(xù)跟蹤貨物。
半合成生命體，拓展生物化學(xué)和治療學(xué)的新字母
合成核苷酸的產(chǎn)生使化學(xué)家能夠構(gòu)建人工生化機(jī)器，開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)以最大程度地減少轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程中錯(cuò)誤的數(shù)量。它們?yōu)樵O(shè)計(jì)靶向治療提供了新的化學(xué)工具，包括用于攻擊轉(zhuǎn)移性實(shí)體瘤的 Thor-707，目前正在臨床試驗(yàn)中。
超浸潤(rùn)性，一個(gè)世紀(jì)之久的發(fā)現(xiàn)提供了新的機(jī)會(huì)
超浸潤(rùn)材料結(jié)合了兩種極端狀態(tài)——疏水性和親水性——具有獨(dú)特的流體動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)性。為了創(chuàng)造它們，研究人員從大自然中汲取靈感，例如研究極難弄濕的荷葉。他們?cè)诮饘佟⒕酆衔锖图徔椘飞蠘?gòu)建出具有納米結(jié)構(gòu)的表面，用于潛在的應(yīng)用，包括分解水、去除污染物、自清潔紡織品、油水分離和相變液體冷卻等。
人工腐殖質(zhì)，為可持續(xù)和高效農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)碳解決方案
有機(jī)物質(zhì)分解為腐殖質(zhì)，為土壤添加有價(jià)值的養(yǎng)分，但是這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。因此，人工制造腐殖質(zhì)更加可持續(xù)和高效。當(dāng)添加到土壤中時(shí)，人工腐殖質(zhì)可以改善土壤質(zhì)量，提高作物產(chǎn)量并減少肥料使用。目前，有幾種方法可以加速有機(jī)物的分解——其中熱液腐化正在成為其中最吸引人的方案之一。
RNA和DNA的化學(xué)合成，COVID疫苗后核酸在藥物化學(xué)中的應(yīng)用前景
基于mRNA的COVID疫苗的成功問(wèn)世，為更多針對(duì)癌癥、糖尿病和其他傳染病的新型療法鋪平了道路。RNA和DNA的化學(xué)合成現(xiàn)在是全自動(dòng)的，并且可以在幾個(gè)臺(tái)式合成設(shè)備中使用。該技術(shù)仍在不斷進(jìn)步，例如使用了與傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)相同的原理，科學(xué)家們將不同的DNA 鏈直接并精確地打印到硅基微反應(yīng)器中——這些設(shè)備在化學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)方面有無(wú)數(shù)的應(yīng)用。
聲化學(xué)涂層，更安全、更耐用、具有增值特性的材料
聲化學(xué)——使用(超)聲波來(lái)觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，具有制造創(chuàng)新材料的巨大潛力，特別是用于抗菌涂層或智能涂層等表面，通過(guò)簡(jiǎn)單的顏色變化就可以檢測(cè)致病菌的菌株。目前，開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用包括延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，以及提高鋰離子電池的性能和穩(wěn)定性。業(yè)界現(xiàn)在正在探索新的可能性，以將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大到工業(yè)環(huán)境中，并開(kāi)發(fā)能夠連續(xù)生產(chǎn)涂層材料的滾筒制備法（roll-to-rollmethods）。
生物用化學(xué)發(fā)光，水溶性二氧雜環(huán)丁烷提高了生物檢測(cè)的速度和靈敏度
發(fā)光分子在許多應(yīng)用中都非常有用，無(wú)論是在犯罪現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)血液(魯米諾)還是在顯微鏡下照亮生物樣本(綠色熒光蛋白)。科學(xué)家們還在不斷地改進(jìn)發(fā)光分子，以應(yīng)用于高效二極管、安全信號(hào)、生物研究等方面。例如基于二氧雜環(huán)丁烷的化學(xué)發(fā)光探針，即使在沒(méi)有有機(jī)溶劑的幫助下，有水的情況下也能發(fā)出明亮的光，這使它們特別適用于對(duì)生命系統(tǒng)進(jìn)行成像。二氧雜環(huán)丁烷探針在檢測(cè)某些類(lèi)型的腫瘤方面顯示出了巨大的前景，甚至有助于區(qū)分癌癥亞型。
氨的可持續(xù)生產(chǎn)，Harber-Bosch工藝的綠色替代品
用于合成氨的哈伯-博世（Haber-Bosch）是有史以來(lái)最成功的化學(xué)反應(yīng)之一。但它是高能源密集型的工藝，并且會(huì)排放大量二氧化碳，科學(xué)家們需要一種可持續(xù)的替代途徑來(lái)生產(chǎn)氨。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?cè)O(shè)想了兩種互補(bǔ)的戰(zhàn)略。一方面，他們從大自然中尋找靈感——特別是細(xì)菌和藍(lán)藻中的固氮酶，由于有了鐵和鉬的輔酶，它們可以減少氮?dú)狻Ａ硪环矫妫瘜W(xué)家也利用電的力量來(lái)打破三重氮-氮鍵，同時(shí)從水中獲取氫原子。如果使用的能源來(lái)自可再生資源——風(fēng)能、水電、太陽(yáng)能——這個(gè)過(guò)程就會(huì)變得加倍的可持續(xù)，因?yàn)樗苊饬藢?duì)從化石燃料中獲得氫氣的依賴。
靶向蛋白質(zhì)降解，利用我們的細(xì)胞機(jī)制來(lái)革新制藥業(yè)
化學(xué)家和生物化學(xué)家經(jīng)常在大自然中找到靈感。靶向蛋白降解的情況也是如此，這是一種具有巨大治療潛力的創(chuàng)新化學(xué)工具。其原理相當(dāng)簡(jiǎn)單：利用我們自己細(xì)胞的降解途徑，以根除有問(wèn)題的蛋白質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)吸引了數(shù)十億的投資，刺激了許多初創(chuàng)企業(yè)的誕生，甚至開(kāi)始了多樣化的臨床試驗(yàn)。研究人員還探索蛋白酶體降解用于治療與蛋白質(zhì)堆積有關(guān)的疾病的可能性，包括神經(jīng)退行性疾病，如帕金森癥和阿爾茨海默癥。
單細(xì)胞代謝組學(xué)，分析生物分子，一次一個(gè)細(xì)胞
單細(xì)胞代謝組學(xué)可以確定單個(gè)細(xì)胞的代謝特征。隨著成像手段和技術(shù)的發(fā)展，例如質(zhì)譜等技術(shù)的進(jìn)步為認(rèn)識(shí)單個(gè)細(xì)胞提供了新的視角。在冠狀病毒泛濫或在未來(lái)可能會(huì)爆發(fā)的未知情況的背景下，單細(xì)胞代謝組學(xué)將展示其巨大的可能性。一些研究利用它們的力量來(lái)更好地了解感染過(guò)程以及入侵的病毒與我們的細(xì)胞之間的相互作用。
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