10月17日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了“2022年度化学领域十大新兴技术(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名单。详细介绍如下：

IUPAC

       国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）成立于1918年，前身为国际应用化学大会，一个联合国国家会员组织，其宗旨为解决全球关注的化学学科相关问题。

       尽管锂离子电池如今已经无处不在，且获得诺贝尔奖加持。但这也意味着锂离子的需求量来到空前高峰，供不应求，被欧盟列入“关键原料清单”。锂曾经被称为White Gold“白色黄金”。

       而钠离子电池作为新一代价格便宜，性能优良且安全性更高的电池，有潜力替代锂离子电池。而重要的是，钠离子电池的运行可以采用铝作为阳极材料，相比于铜作阳极材料，铝的使用避免了过度放电带来的危险性和问题。

       我们需要更好、更实惠的电池。钠离子电池是一种丰富且价格合理的锂替代品。——IUPAC

       相比于天然酶，纳米酶是纳米材料在实验室中经历过一系列相应的功能性改造后的人工定制产物，具有更好的稳定性，多功能性，以及更低廉的价格，在催化，诊断，治疗，传感等方面有很好的应用前景。

       此外，纳米酶已在治疗中找到用途，主要是因为它们催化消除与衰老、炎症、不孕症、神经退行性疾病和癌症有关的活性氧和氮。在一些初步研究中，纳米酶已显示出针对所有这些问题的保护特性，并且还促进了干细胞的生长，这对组织工程和其他疗法很有用。除了生物医学，纳米酶已成为水处理和去除污染的有用解决方案，符合联合国可持续发展目标，所有这些都与清洁环境有关。这种特殊应用的一个有趣方面是铁基纳米酶的可回收性，这源于它们的磁性。净化污染介质后，很容易用磁铁从溶液中提取纳米酶，用于后续处理和再利用。研究人员还设计了基于金、铈、铂和汞纳米酶的逻辑门——所有这些都可以促进计算机的小型化。通过解决天然和人造酶的一些问题，并提供一些有前途的新特性，纳米酶很快就会成为许多不同应用中有吸引力的替代品。

       纳米酶是一种结合自然和人工催化的力量，它在稳定性、可回收性和成本方面具有多种优势。与仅在特定的温度和 pH 范围内起作用的天然酶不同，纳米酶能够承受恶劣的条件并允许持久、安全和稳定的储存。——IUPAC

       气凝胶是一类由凝胶衍生的合成多孔超轻材料，其中凝胶的液体成分已被气体取代，凝胶结构没有明显塌陷，形成具有极低密度和极低热导率的固体，是一种超轻多孔稳定保温固体材料。

       NASA已经在火星探测器和其它航天器中测试了气凝胶作为隔热材料的突出效果，而其厚度仅为传统隔热材料的一半。

       气凝胶本身表面积巨大，经过工艺改造后可以增加选择性吸附能力，用以解决很多挑战性的环境保护问题。比如去除废水中的重金属离子，海洋中的石油泄漏等等。

       气凝胶是最轻的隔热材料，为应对持续的能源危机提供了有趣的工具。——IUPAC

       荧光是化学和生物传感的基本工具，主要是由于其灵敏度和选择性。由于其可调谐性和多功能性，基于薄膜的荧光传感器已成为一种广泛使用的工具。安装于物体表面可用于检测氨气、氮化物、尼古丁、挥发性物质、杀虫剂、爆炸物等。

       最近，陕西师范大学房喻院士团队研究人员设计了一种基于薄膜荧光传感器的“化学鼻”，以极高的灵敏度检测尼古丁（Chem. Commun., 2019,55, 12679-12682）。这些结果暗示了基于薄膜的荧光传感器在环境修复应用中的巨大可能性，因为它们可以在不同污染物的检测、识别和量化中发挥关键作用。最近，研究人员已经证明了基于薄膜的荧光传感器检测病原体的潜力，特别是食源性李斯特菌，这是许多食物中毒病例背后的致命细菌（Aggregate 2022, e203）。所有这些，再加上紫外线激光技术的最新进展，可能会导致污染检测设备和生物医学设备在部署互联监控网络（例如通过物联网）和应用可穿戴电子产品和便携式传感器领域逐步小型化。

       基于薄膜的荧光传感器拥有微型探测器的可调谐、多功能替代方案。——IUPAC

       巨型图书馆和一种名为 ARES 的基于原位拉曼光谱的筛选技术帮助研究人员确定了一种新的金铜催化剂。它可用作合成由碳制成的单壁纳米管的催化剂。美国研究人员表示，他们已经开发出一种生产 65,000 多种复杂纳米粒子的方法，每种纳米粒子包含多达六种不同的材料和八个片段，其界面可用于电气或光学应用。每根长约 55 纳米，宽约 20 纳米：相比之下，人类头发的厚度约为 100,000 纳米。“纳米科学界对制造结合了几种不同材料——半导体、催化剂、磁体、电子材料的纳米颗粒非常感兴趣，”宾夕法尼亚州立大学团队负责人 Raymond E Schaak 说。“你可以考虑将不同的半导体连接在一起，以控制电子如何穿过材料，或者以不同的方式排列材料来改变它们的光学、催化或磁性。Schaak 及其同事采用由铜和硫组成的简单纳米棒，然后使用称为阳离子交换的过程用其他金属顺序替换一些铜。通过改变反应条件，他们可以控制纳米棒中铜被替换的位置（一端、两端同时或中间）。他们用其他金属重复了这个过程，这些金属也可以放置在纳米棒内的精确位置。通过与几种不同的金属进行多达七次连续反应，他们可以创造出彩虹般的粒子。

       纳米微粒“图书馆”通过制造百万级别的具有不同功能和结构的纳米颗粒阵列，帮助科学家们发现和筛选具有更精细定制化功能和应用的纳米颗粒。

       研究人员使用称为聚合物笔光刻的纳米颗粒沉积技术构建这些巨型图书馆。不同的金属盐溶解在聚合物墨水中，然后使用数千个微小的软尖端小心地将其沉积在表面上——力和压力决定了液滴的大小，从而决定了颗粒的大小。之后，加热消除聚合物并减少盐，使金属纳米颗粒准备好催化化学反应。它相当于制造数百万个微型反应器，浓缩在一张简单的显微镜载玻片上（Science 2008, 321 (5896), 1658）。

       纳米粒子巨型图书馆，高通量合成筛选到达纳米世界。——IUPAC

       相比传统电池的层层堆叠电极和组件，柔性纤维电池使用的是一维设计，将电解质和电极用聚合物密封在电池内，从而直接制造出品质稳定且防水的纤维电池。

       最近，复旦大学彭慧胜教授课题组开发了基于锂离子技术生产高性能编织纤维电池的新方法。这些设备的能量密度比第一个纤维电池原型好八十倍；此外，它们在五百次充电循环后仍保留 90% 的容量，这与大多数商用电池相当。在概念验证应用中，科学家们研究了为智能手机无线充电的可能性，以及将编织电池与纺织品显示器和交互式夹克集成在一起，用于监测不同的身体常数。在理想情况下，电池的成本可能低于每米 0.05 美元。三星和华为等公司正在研究纤维电池的潜力，预计该市场将与可穿戴设备和印刷电子产品等产品一起增长。

       纤维电池，一种新的储能形式，为可穿戴设备做好准备。——IUPAC

       同时，光催化也提供了巨大的机会。通过直接使用阳光来激活和加速反应，化学家可以节省步骤并简化整个过程。许多人认为光催化是将太阳能转化为能源丰富的产品（如燃料）的理想方法。目前，世界各地的许多团体都在努力解决这一过程中的问题。即使是植物，经过数十亿年的进化，也只能管理最高 4% 的能量转换效率。其中一些解决方案来自将人造催化剂与天然结构（例如酶甚至细菌）配对，除其他优点外，这些耦合系统提供了获取有趣的商品化学品的途径，例如乙酸等。其他团体设想在夜间工作的光催化过程中，将催化剂连接到电容器和电池，使它们在照明期间储存能量并在晚上开始释放能量。“持久光催化”的概念可以减少间歇性，提高过程的性能。

       液态太阳能燃料，“装瓶可再生能源”和制造更环保化学品的战略。——IUPAC

       屏幕在我们的生活中无处不在。此外，据统计，我们 80% 的外部环境感知直接来自我们的眼睛，这使得视觉成为了最重要和最复杂的感觉。现在，随着高速通信和连接设备（即物联网）的出现，研究人员开始探索纺织品展示领域。这些设备将改变我们的日常电子产品的形态，以及我们与它们互动的方式，并促进新型可穿戴设备和智能织物的商业化。

       传统上，可穿戴设备依赖于贴在织物和纺织品表面的薄膜显示器，而纺织显示器的做法完全不同，和上面提到的纤维电池很相似。研究人员直接开发出能够发光的纤维，然后将它们交织在一起形成柔性织物作为显示器。这种策略解决了很多问题：一是增加了透气性，传统屏风会阻碍；其次，它使可穿戴设备更柔软，更接近实际的衣服；第三，纤维自由弯曲；变形对发射的影响不如薄膜屏幕。

       复旦大学彭慧胜教授团队使用发光电化学电池，将阴极和阳极材料与电解质或粉末状发光材料（通常是硫化物盐）分散到纤维中。前者实现了颜色可调性等新颖性，而后者尽管亮度较低，但从生产的角度来看具有优势，因为允许使用传统的编织工艺，从而实现米长的纤维和高表面显示器。

       纺织品展示，用于柔性屏幕的基于纤维的发光二极管。——IUPAC

       事实证明，SNA 疫苗可有效预防传染性病原体，例如 SARS-CoV-2，即导致 COVID-19 的冠状病毒。当受到致命剂量的病毒攻击时，先前接种过疫苗的小鼠存活下来，这证明了 SNA 产生良好免疫反应的保护潜力。值得注意的是，这种特殊的设计不需要刺突蛋白的整个结构来工作。覆盖有 DNA 的脂质体包裹了受体结合域的较小抗原，从而简化了此类疫苗的合成和适应性。此外，SNA 制剂在室温下保持稳定，这有助于在偏远地区获得疫苗，符合可持续发展目标。

       球形核酸在癌症免疫疗法中也显示出前景，特别是针对黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一项研究中，用 SNA 疫苗治疗成功地消除了 30% 的小鼠的肿瘤，这推动了向人体临床试验的过渡。事实上，目前有六项人体临床试验测试 SNA 相关产品用于免疫治疗和基因调控。生物技术公司 Exicure 寻求 SNA 疗法的批准和商业化，并已开始与 Allergan、Dermelix 和 Ipsen 合作开发不同的药物。SNA 绝对是一项新兴技术，未来可能会改变我们应对疾病的方式。

       带有 SNA 的合理疫苗，球形核酸重塑和重组疫苗技术。——IUPAC

       支持 VR 的平台不是通过键盘和鼠标与计算机交互，而是允许研究人员进入一个充满巨大分子的想象房间，并通过他们手中的同步无线控制器“触摸”它们。一旦进入那里，他们就会触碰原子并移动它们，引入修饰元素各类和官能团——同时虚拟分子由外部计算机实时模拟和渲染。由于分子间相互作用本质上是三维的，因此在这些虚拟空间中工作可以提高我们对化学反应的理解。这种身临其境的体验，在手术室和动画工作室等其他环境中得到广泛应用，可加速结果并减少错误。使用 VR 时，化学家完成分子建模任务的速度比使用传统界面快十倍。

       VR 建模还为化学教育创造了新的可能性。学生在使用这些 VR 增强工具时的反馈，特别是一个名为 Manta 的进程，比传统技术要积极得多。由于能够对原子和分子进行直接观察，学生对宏观和微观现象的理解会更加深刻。此外，数字工具也为远程教育开辟了可能性，从而使教师能够与几乎任何地方的任何人分享他们的课程，只要他们有互联网连接并可以访问 VR 集。

       支持 VR 的交互式建模，计算化学连接在元宇宙。——IUPAC