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十项化学创新将改变人类的社会 | IUPAC 公布2020年化学领域十大新兴大发排列3
2020-10-23  来源:高分子科技

  2019年,IUPAC介绍了化学领域十大新兴大发排列3[1]。这一倡议不仅是为了纪念IUPAC的100周年,也是为了纪念门捷列夫最著名的化学符号首次出版150周年的元素周期表国际年。每一年,化学领域都会推出十大具有巨大潜力且创新的新兴大发排列3,而这些将改变目前的化学和工业格局[2]


  化学领域十大新兴大发排列3也符合联合国可持续发展目标(SDG)。所选的大发排列3将使我们的世界变得更美好,使我们的资源得到更周到的利用,有利于更有效的转型,并在新材料、更高效的电池、极其精确的传感器和个性化医药等应用领域提供更可持续的解决方案。


  此外,今年的世界正面临前所未有的挑战——抗击自1968年香港流感以来最严重的一场大流行病。COVID-19已经在许多层面影响着人类的社会,并极有可能以人类尚未预料到的方式改变人类的生活。在这场全球抗击冠状病毒的战斗中,化学家将发挥关键作用。从肥皂和清洁水到测试和新药,化学将是战胜这一新的威胁的最重要的因素。


  这十大新兴大发排列3依次是:双离子电池(Dual-ion batteries)、聚集诱导发光(Aggregation-induced emission)、微生物组和生物活性化合物(Microbiome and bioactive compounds)、液体门控大发排列3(Liquid gating technology)、更利于塑料回收的大分子单体(Macromonomers for better plastic recycling)、高压无机化学(High-pressure inorganic chemistry)、人工智能(Artificial intelligence)、纳米传感器(Nanosensors)、核糖核酸疫苗(RNA vaccines)和快速诊断测试(Rapid diagnostics for testing)。


  其中,有两项是由我国科学家们引领的新兴方向,“聚集诱导发光”和“液体门控大发排列3”。


双离子电池



  正如人们所知,电有一个重大的缺陷,它是如此的难以存储。迄今为止,最好的解决方案之一是锂离子电池,这一进步也得到了2019年诺贝尔化学奖的认可。在过去的几十年里,这些设备使目前用于笔记本电脑、移动电话和电动汽车的储能设备小型化成为可能。尽管其能量密度很高,锂离子电池仍然存在一些缺点。此外,锂和钴的稀缺限制了未来的发展,同时与可持续发展目标发生了冲突。因此,像双离子电池(DIBs)这样的新设备已经引起了科学界的注意[3]。在传统的锂离子电池中,只有阳离子在电解质中移动,而在DIBs中,阴离子和阳离子都参与了能量存储机制[4]


  DIBs的电极可以使用廉价而丰富的材料、借助更环保的方法来制造。此外,研究人员设想利用水处理来制造DIBs,提高可持续性并降低成本。虽然第一个DIB原型也依赖于锂,但现在化学家们已经找到了新的解决方案,使用钠、钾或铝,这些都是丰富的和广泛的世界范围内。尽管几年科学家也发现,DIBs仍然面临着一些挑战,研究人员需要更好地了解它们的机制[5],以提高它们的能力、可逆性和寿命。然而,工业创新正开始蓬勃发展。但综上,DIBs在成本、寿命和可持续性方面具有一系列优势,这些优势与SDG7一致[6]


聚集诱导发光


  聚集诱导发光是中国原创的、耕植于祖国大地的新兴大发排列3。据不完全统计,全世界共有80余个国家和地区的4500余单位的研究人员正在从事AIE相关的研究工作。


  相对于成熟的无机发光材料,有机发光材料的应用研究尚处于攻关阶段,但是其分子结构设计的灵活性和材料功能的可调谐及预计性逐步被业界认可,已成为材料学、化学、物理学和电子学等领域共同关注的研究热点,具有潜在的巨大商机。然而,许多有机分子由于其平面的共轭结构使其在稀溶液中发光很强,但在高浓度溶液中或在聚集(纳米粒子、胶束、固体薄膜或粉末)状态下荧光变弱甚至完全消失,这就是斯托克斯和福斯特等人定义的浓度猝灭效应(concentration quenching effect),即更普适的聚集导致猝灭(aggregation-caused quenching, ACQ)荧光现象。ACQ似乎是有机发光材料的阿喀琉斯之踵,让英雄前行的盔甲染上了黯然之色。


  尽管人们已经采用化学、物理或工程的方法或手段来降低分子间的聚集,抑制有机发光材料的ACQ效应,然而效果并不理想。分子聚集常常只是部分或暂时被抑制,而在很多情况下,单分子原本优异的光学性能也在修饰中大打折扣。从物理化学的焓熵角度讲,有机化合物在固态下的聚集行为是一个自然发生的过程,刻意抑制分子聚集并不能从根本上解决ACQ问题。目前对有机发光材料的激子行为、衰减速率和发光效率等的本征研究,一般都在气态或极稀溶液中进行,以实现对分子本质结构—效能关系的无干扰分析。然而,有机发光材料多在聚集态下应用,如作为薄膜应用于OLED器件,作为纳米粒子或胶束应用于水系或生物体系。这时,分子不再保持单分子行为,在外围条件作用下,发光的单个分子反而会因为聚集而出现发光强度的减弱。往往是分子聚集越多,发光越弱——陷入了“三个和尚没水喝”的困境。


  2001年,唐本忠教授课题组另辟蹊径,提出了充分利用有机分子的聚集来实现聚集态荧光增强,即聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)。作为AIE研究的全球引领者,唐本忠院士立足于当今时代浪潮,致力于将AIE的基础研究实现产业转化。



  自提出AIE以来,化学家们已经发现了一些具有这种性能的化合物,包括经典的发光材料,如多芳族化合物和有机金属配合物,以及非传统发光材料,如非芳香性聚合物、低聚糖和纳米颗粒。AIE为高性能发光材料的开发开辟了新的途径,它已经在OLED设备、化学/生物传感和新型生物成像上得到了应用。事实上,推广AIE大发排列3的初创企业正在蓬勃发展[7,8,9]


微生物组和生物活性化合物



  据研究,超过10万亿的微生物生活在人体的肠道、呼吸道和皮肤里。这些微生物群可能会改变人类的行为,研究表明,它甚至可能引发癌症等疾病,并决定人类对治疗的反应。所有这些细菌不断释放代谢物以回应环境中的不同刺激。化学可以在筛选和识别这些不同的分子中发挥关键作用,这些不同的分子最终可以被分离出来作为新的治疗候选物。


  最近,普林斯顿的一个团队将这种方法提升到了一个新的高度[10]。利用不同的计算工具,他们分析了细菌基因组,并确定了编码小分子生物合成的基因簇。然后,他们将这些指令表达到基因修饰过的细菌中,得到了一系列具有强烈抑菌活性的分子。尽管这一先进的功能宏基因组在过去几十年里进展缓慢,但这一新的发展被描述为一种改变游戏规则的方法,有可能彻底改变发现[11]。人类体内的微观生命极其多样化。化学家和生物化学家可能会在细菌基因组中的新的生物活性化合物中发现大量的编码,直接促成SDG 3。理解和解开微生物群的秘密可能会彻底改变医疗保健的未来。


液体门控大发排列3


  使用液体作为结构材料来建造响应式阀门的想法听起来有些不可思议。然而,在2015年,由侯旭等人首次提出的“液体门控”这个新概念,并在最近的几年,逐渐将该原创概念发展成形,让这个想法成功地走进了现实。


  通常来说,传统液体膜体系的作用机理在于两相界面上浓度或电位的化学势差异,而液体门控膜的作用机理则依赖于毛细管作用对压力变化所产生的响应。通过液体的动态重构与可逆恢复,液体门控体系可以实现孔道的开关功能以及可调的压强控制性能;通过对膜孔道的修饰和门控液体的选择,可实现门控体系对所传输物质的物理或者化学响应。结合以上两种特性,液体门控大发排列3就可以对所通过的物质包括气体,液体以及多相混合液体进行动态分离,并且它具有优异的抗污染和节能等性能,有望大幅延长膜材料的使用寿命,提高传统膜系统的普适性,这对膜科学与大发排列3、微流控等多个交叉学科的发展带来了具有里程碑式的意义。因此,专家们认为这项新兴大发排列3将在大规模过滤和分离过程中起到非常重要的作用。



  同时,液体门控大发排列3被认为可以加速实现“联合国的可持续发展目标6”的计划,该计划旨在确保人人都能获得清洁用水和卫生设施;并且,液体门控大发排列3不需要消耗电能,可以节约传统大发排列3所需要的巨大能量消耗。侯旭教授课题组引领的液体门控大发排列3的研究在许多其它的领域也得到了广泛的应用,比如化学传感检查,生物3D打印和微流控芯片等。


  尽管液体门控大发排列3是一项新兴大发排列3,但已经被认为是有望迅速扩大规模,并被国际大发排列3的龙头企业所采用的变革性大发排列3。[12,13,14]


高压无机化学


  在压力下,人类的表现都不一样,化学物质也不例外,最异常的现象发生在极端条件下。例如,研究人员已经将苯挤压成超强、超薄的金刚石纳米线,最近还提供了制备金属氢的光谱证据。高压科学不再是一个束之高阁的领域[15]


  这些实验通常会涉及到高达500 GPa的压力,相当于平均大气压力的100万倍。为了达到这些巨大的强度,科学家需要将他们的样本夹在两个金刚石尖端之间,这通常被称为金刚石砧胞。进一步的增强,如结合高能量X射线金刚石砧,允许更高的压力,达到极限约640 GPa。





  在超高压下,化学键合的规律会重塑。化学计量定律在这里变得模糊了——研究人员已经从钠中分离出了普通盐的“表亲”,Na3ClNaCl7。此外,一些在室温环境条件下是惰性的化合物,高压下突然变得具有反应性,如氮气、一氧化碳和二氧化碳,在极端的压力和温度下聚合,产生的产物,在某些情况下,可以减压存活,在大气压下可以分离出来[16]。高压还能提高发光性和超导性等众所周知的性能。


  化学在这些条件下变得非常复杂,但同时也变得非常有趣。识别在超高压下发生的转变,可以产生新的分子种类和具有前所未有的性能的新材料,如室温超导性或超硬度。


大分子单体为更好的塑料回收


  2020年是赫尔曼·斯托丁格(Hermann Staudinger)著名的聚合宣言发表100周年。化学在人造聚合物的发展中扮演了关键的角色,耐用和多功能的材料改变了我们的文明。然而,上述持久性对我们不利:二十世纪的基石现在到处都是,在人类的陆地上堆积,污染我们的海洋。一些专家预测,到2050年,海洋中塑料的总量将超过鱼类的总量[17]。现在,化学家必须找到一种解决方案。


  许多研究小组正在寻找更有效的方法来回收人类所知道的聚合物,就像去年IUPAC的十大化学新兴大发排列3一样[1]。此外,其他小组正在研究新型聚合物,这种聚合物很容易回收。解决方案包括在紫外线照射下分解的塑料,以及带有响应“端帽”的大分子,可按需触发解聚作用。


  重新设计的单体和大分子单体是一个积极的战略,以工艺更可持续的塑料。化学家依赖于自由基开环反应,这种反应可将异质原子和酯等官能团合并到传统的全碳主链结构中。所得到的聚合物更容易水解和回收。最近,几个研究小组对这项大发排列3进行了优化,提供了范围广泛的生物降解塑料,保持了传统聚合物的吸引人的特性[18]。从广泛使用的内酯开始[19],研究人员开发了一种强而稳定的聚合物,可以在温和的条件下反复回收。



人工智能


  人工智能正在改变人类的社会。随着它在金融、司法、交通乃至医疗领域的应用,其市场价值正呈指数级增长。化学也不例外。研究人员训练算法以加速结构解析,增强逆转录分析,设计优化反应序列,发现新药,甚至运行未来机器人实验室。可能性是无限的。化学家和发明家李·克罗宁相信,在未来,人类将忘记化学家曾经是人类。


  人工智能在化学上的应用才刚刚开始,最大的进步还没有到来[20]。研究人员预测,这些大发排列3具有巨大的潜力。除此之外,他们预计化学反应将变得更可重复,更容易扩展,最终更环保,更高效。多亏了高通量方法和自动化分析的结合,化学家可以控制和加速意外发现,把意外发现变成彻底和精心计划的搜索[21]。所有这些策略都可以加速科学突破,解决日益复杂的问题。


  算法还可以解决更广泛的问题。例如,机器可以系统地分析科学文献,并从几乎曾经发表过的每一条数据中学习。这不仅可以帮助我们认识趋势,还可以为能源、气候变化、环境和健康等更大的挑战找到可能的解决方案。事实上,最近的研究表明,人工智能对实现SDG有积极影响,有望使134个目标得以实现。


  科技将提升人类作为化学家的角色。人工智能不会取代人类,它将增强化学发现,同时将人类从平凡和重复的任务中解放出来。因此,人类将专注于创造力,实现仅仅被人类的想象力限制的飞跃[20]


纳米传感器


  传感器检测环境的变化。在化学中,感应过程包括两个步骤识别,当分析物分子遇到它们的受体;转导,将事件转换成输出信号[22]。纳米传感器的工作方式与此类似,只是它们使用纳米材料作为活性元素。化学纳米传感器被用于从污染监测和食品质量控制到安全和医疗保健的无数应用中。


  传感器领域已经发展到检测单分子的程度。这被称为“最高灵敏度,在医疗保健应用程序中至关重要,在这些应用程序中,检测单个实体可能事关生死。”单分子传感还提供了额外的好处,比如可以轻松地测量样品中的异质性,或者可以进行无校准的测量。专家们相信,这些大发排列3可能会改变传统模式[23]


  化学和材料科学的进步带来了重大的进步。研究人员已经探索了种类繁多的纳米材料——金属、氧化物、碳纳米管、石墨烯、聚合物,由于它们的高表面体积比,为传感提供了显著的好处。纳米传感器应用于分析化学的许多领域。近年来,由于冠状病毒SARS-CoV-2引起的大流行,抗体引起了人们的广泛关注。幸运的是,化学家利用纳米材料的独特特性制造出了极其敏感和特异性的抗体纳米传感器[24]。例如,金纳米颗粒能够在15分钟内检测出SARS-CoV-2。


  纳米传感器将变得越来越受欢迎,帮助我们区分新鲜食品和即将过期的大发排列3,或提高我们探测之前未知脑电波的能力,开启治疗癫痫等疾病的潜在方法。传感器将帮助我们更好地了解我们生活的世界。


RNA疫苗


  疫苗使人类的免疫系统能够抵抗疾病。通过不同的媒介,疫苗诱导抗体的产生,抗体分子识别并引发对病原体的破坏。尤其是,RNA疫苗有一个非常聪明的方法来实现这一目标,给病人注射编码抗原产生的RNA序列,最终刺激免疫反应和抗体的合成。虽然RNA疫苗尚未批准用于人类,但它们已在临床试验中显示出有希望的结果[25]。他们提供快速解决方案以防止新型SARS-CoV-2冠状病毒感染的潜力再次使他们受到关注。



  RNA疫苗的优点之一是它们的合成可以很容易地扩大规模。为了开发经典疫苗,研究人员需要在细胞培养中培养感染因子,这需要使用大容量的反应器和大量的时间。另一方面,RNA链可以使用经过优化的方法进行合成——甚至自动化已经有几十年了。此外,RNA疫苗可以很快设计出来。伦敦帝国理工学院的Robin Shattock团队在获得COVID-19病毒基因组序列的两周内研制出了一种候选疫苗。该研究小组相信,他们可以在明年获得初步结果。与传统疫苗相比,这是一个真正的优势,传统疫苗通常需要长达10年的研发和平均5亿美元的投资才能进入市场。


  除了COVID-19,科学家们还在探索RNA疫苗预防其他传染病的潜力,如寨卡病毒、狂犬病、艾滋病毒、流感,甚至癌症。研究表明,RNA疫苗可以刺激对癌细胞的免疫反应,使其成为一种新的免疫疗法的有吸引力的替代品[26]


  尽管RNA疫苗领域还很年轻,但在未来几年可能会迅速发展,特别是考虑到生产的速度和适应性。此外,如果针对COVID-19的RNA疫苗成功并快速进入市场,这将进一步促进该大发排列3的发展[27]


快速检测诊断


  快速诊断试验是适用于快速医学筛查的化学分析方法。它们通常包含一系列易于操作的步骤,并在几分钟内提供结果。此外,这些测试很少需要额外的设备,便于在资源贫乏的环境中使用。最著名的例子可能是家庭验孕仪,仅在美国每年就售出3500万份。也有快速的测试来诊断疾病,如疟疾、艾滋病和流感。


  由于化学反应,快速测试才会奏效。通常,它们利用抗体来检测抗原的存在。抗体与不同类型的探针相连接,如果测试呈阳性,探针会发生一定的化学反应,这通常涉及到颜色的变化,从而使结果的解释非常简单。


  当前COVID-19大流行导致实验室设备短缺,无法进行更彻底的PCR检测。因此,世界各地的科学家已优先发展快速检测方法,以检测SARS-CoV-2并诊断受该病毒引起的COVID-19疾病折磨的人。其中一些依赖于RNA链而不是抗原的检测,并在半小时内交付结果。制药公司雅培(Abbott)开发了一种COVID-19测试,据称使用了环介导的等温放大[28],只需5分钟就能得出结果。但是,后者需要一些实验设备。


  目前,世界卫生组织(世卫组织)不建议在COVID-19患者护理中使用检测抗原的快速诊断测试。到目前为止,只有三家公司获得了美国食品和药物管理局的紧急使用许可和欧盟委员会的CE标志Autobio Diagnostics、CTK Biotech和Hangzou Biotech。因此,化学家需要与时间赛跑,以开发出一种合适的替代品,能够及时产生显著的结果。



未来化学的可持续发展


  化学为人类提供了一套无限的工具,来重塑世界,使之成为一个更安全、更可持续的未来。从设计更有效的测试方法到开发成功的治疗方法,化学将是应对当前COVID-19大流行的核心。COVID-19大流行是人类社会在过去几十年里面临的最困难的挑战之一。此外,人类在阻止冠状病毒的传播并为有需要的人提供医疗服务的同时,必须谨记即将出现的其他威胁,如污染、气候变化和循环经济等。化学科学的创新对于实现联合国制定的可持续发展目标(SDG)中的大多数目标至关重要,这些目标旨在促进繁荣,同时保护地球。这与IUPAC的主要使命完全一致,即为人类和世界的最大利益应用和传播化学知识。这个新版本的十大新兴化学大发排列3保持了同样的精神,促进化学保护社会和人类的地球的基本作用。


参考文献:

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  以上文章编译自Ten Chemical Innovations That Will Change Our World,Chemistry International, October-December, 2020


  原文链接:https://iupac.org/etoc-alert-chemistry-international-oct-dec-2020

  下载:Ten Chemical Innovations That Will Change Our World

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