转自公众号：《化学科讯》
2020年10月7日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC ）在其官网公布了“2020年化学领域十大新兴技术”（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）：
1.聚集诱导发光
2.人工智能
3.高压无机化学
4.双离子电池
5.液体门控技术
6.促进塑料回收的高分子单体
7.微生物和生物活性化合物
8.纳米传感器
9.用于检测的快速诊断
10.RNA疫苗
十大新兴技术计划始于2019年，以纪念IUPAC成立一百周年（IUPAC公布2019化学领域十大新兴技术，不对称催化、流动化学、挤出反应等入选）。它的最终目标是展示化学和化学家的价值，并向公众宣传化学科学如何为社会福祉和地球的可持续性做出贡献。IIUPAC表示，“化学十大新兴技术”与联合国的可持续发展目标（SDG）保持一致，这些技术最终将改变我们的世界。
What is an “Emerging Technology?”
IUPAC对“新兴技术”的定义是介于新科学发现和全面商业化技术之间的一种技术。它应该包括对该技术的深刻理解，某种原型，甚至是一些致力于将该技术商业化的初始工作。最重要的是，该技术必须令人兴奋，具有开辟化学领域及其他领域新机遇的能力，有助于解决重大的全球性问题——IUPAC的愿景和使命。“化学”一词的使用最为广泛，包括材料科学，纳米技术和生物化学。归根结底，一项新兴技术是处于实验室的胚胎阶段和工业应用之间的发现。
一、聚集诱导发光
如今，发光材料无处不在：从LED到生物成像技术。由于大多数这些物质通常都具有过多的芳香族部分，因此分子倾向于以高浓度堆积，最终杀死了发光体。这种作用称为聚集引起的猝灭。相反，早在2001年，研究人员就观察到了相反的现象，某些发光剂在稀释溶液中的发射非常微弱，而在分子堆积时显示出强烈的发射。最初，这个概念很少受到关注，但是现在它已经成为一个广阔的研究领域。聚集诱导发光（AIE）已经改变了人们对发光的方式。
分子形状是了解这种作用的关键。与经典的发光剂不同，具有AIE活性的分子是非平面的。它们就像微型螺旋桨一样，不断运动。但是，当它们聚集时，旋转停止，并且所有能量以光的形式释放。自从发现AIE以来，化学家已经鉴定出几种具有这种作用的化合物，包括经典的发光剂，例如多芳族化合物和有机金属络合物，以及更奇特的产品，例如聚合物，寡糖和纳米颗粒。AIE在发光材料的开发方面开辟了新途径-它已经在OLED器件，传感器和新颖的生物成像工具中找到了应用。《纽约时报》强调了AIE很快就会进入现实世界的潜力。实际上，推销AIE技术的初创企业正在蓬勃发展-两个很好的例子是香港的AIEGEN Biotech和美国的Luminicell。后者还通过领先的化学供应商默克公司出售其用于活细胞跟踪的荧光纳米颗粒。
二、人工智能
人工智能正在改变我们的社会。化学也不例外。研究人员训练算法加速结构解析，增强逆合成分析，设计优化的反应序列，发现新的药物，甚至奔跑着机器人的未来实验室。化学的可能性是无限的。化学家兼发明家李·克罗宁（Lee Cronin）认为：“将来，我们会忘记自己曾经是一个人类化学家。”
人工智能在化学中的应用才刚刚开始，进行中的最大飞跃还没有到来。 研究人员预测，这些技术有巨大的潜力。他们尤其期望化学反应的可重复性，可扩展性以及最终的绿色环保性和效率。多亏了高通量方法学和自动化分析的结合，化学家才能够控制和加速意外发现-将意外发现变成彻底且精心计划的搜索。所有这些策略都可以加快科学突破并解决日益复杂的问题。
算法也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有史以来的几乎所有数据中学习。这不仅可以帮助我们认识趋势，而且可以找到解决与能源，气候变化，环境和健康有关的更大挑战的解决方案。实际上，最近的研究表明，人工智能对实现可持续发展目标具有积极的影响-能够实现134个目标。
技术将提升我们作为化学家的作用。人工智能不会取代我们，反而会增强化学发现，同时使我们摆脱平凡和重复的任务。因此，我们将专注于创造力，实现飞跃，这仅受我们的想象力的限制。
三、高压无机化学
人在压力下的表现各不相同。化学制品也不例外，最特殊的现象发生在极端条件下。例如，研究人员已将苯压制成超强，超薄的金刚石纳米线，并且最近提供了制备金属氢的光谱证据。高压科学不再是一个利基领域。最新的技术进步可以在高压环境下密切监视样品，从而增强了我们对材料的了解。这些实验涉及的压力高达500 GPa，相当于平均大气压的五百万倍。为了获得这些巨大的优势，科学家需要将他们的样品捕获在两个钻石尖端之间，这通常被称为钻石砧室。进一步的改进，例如将金刚石砧与高能X射线相结合，可以提供更高的压力，达到约640 GPa的极限。
在超高压下，化学键的规则重塑。传统上惰性的物质，例如氮气，一氧化碳，和二氧化碳在极端压力和温度下聚合，生成的产品在某些情况下可承受减压作用，并可以在大气压下分离。高压还增强了众所周知的效果，例如发光和超导性。
在这些条件下化学变得非常复杂，但同时却变得非常有趣。辨别在超高压下发生的转变可能会导致具有前所未有的特性的新分子物种和新材料，例如具有室温超导性或超硬性。此外，获得的一些知识可以转化为常压过程-研究人员希望在化学领域开辟新的领域。
四、双离子电池
迄今为止，储存电力最好的解决方案之一是锂离子电池，这一进步最近获得了2019年诺贝尔化学奖的认可。在过去的几十年中，这些设备已经启用了能量存储设备的小型化，目前在笔记本电脑，手机和电动汽车使用。尽管能量密度高，但锂离子电池仍存在一些缺点。事实上，如果你使用最先进的电池来给你的房子供电，你将需要超过一吨的设备来储存一周的能量。 此外，锂和钴的稀缺限制了未来的发展，因此，诸如双离子电池（DIB）之类的新型设备引起了科学界的关注。在传统的锂离子电池中，只有阳离子沿着电解质移动，而在DIB中，阴离子和阳离子都参与了能量存储机制。它们在电池设置中也表现出一些根本的差异-在DIB中，电解质中的离子也具有活性，这直接影响诸如容量和电压等特性。
五、微生物和生物活性化合物
人体内有超过10万亿种微生物生活在我们的肠道，呼吸道和皮肤中。这些微生物可以修改我们的行为，也可能会引发疾病，如癌症，以及决定我们对治疗的反应。所有这些细菌都会根据环境中的不同刺激不断释放代谢产物。化学在筛选和鉴定这些不同的分子中发挥重要作用，而这些分子很可能最终被分离并用做治疗疾病的候选化合物。
六、液体门控技术
使用液体作为结构材料来构建响应式闸门的想法听起来违反直觉，甚至在科幻小说中也是如此。科幻电影《星际之门》中，人类利用外星科技，通过像液体一样的星际之门来实现物质在宇宙中的瞬间传递，这个科幻的空间之门让我们对门有了更为广义的认识，液体也可以成为一道门吗？人们脑海中的"门"一直以固体形式存在。2015年，美国哈佛大学埃森伯格（J.Aizenberg）研究组的侯旭博士在一次偶然的分离实验中发现了一个奇特的现象：当气体压强超过某一临界值时，气体会从液体中穿过,低于此值则无法穿过，而且对于不同的液体，这个特征临界值会发生变化。这一现象启示人们，是否液体也能成为一种"门"？最初于2015年提出的这个想法已经成为现实，并可能很快带来许多新颖的应用。
通常，由于浓度差异和跨边界可能造成液膜起作用。但是，液体门控膜可响应依赖于毛细管现象的压力变化。在微观上，这一现象允许某些液体按需选择性地打开和关闭孔。液门可以选择性地处理流体混合物而不会堵塞。因此，研究人员预测它们对于大规模的过滤和分离过程将变得极为有用。除其他外，液体闸门可以加快实现SDG 6的进度，该目标旨在确保所有人获得清洁水和卫生设施。此外，由于液位闸门根本不需要电力，因此可确保节省大量能源。
七、促进塑料回收的高分子单体
化学在人造聚合物的开发中发挥了关键作用，人造聚合物是改变我们文明的耐用和通用材料。然而，这种耐用性已经变得对我们不利：垃圾的积累污染着我们的海洋。一些专家预测，到2050年，海洋中塑料的总重量将超过鱼类的总重量。现在，化学家必须找到解决方案。
正如去年的IUPAC十大新兴化学技术所反映的那样，许多研究小组正在研究更有效的方法来回收已知的聚合物。此外，其他小组正在研究可以轻松回收的新型聚合物。解决方案包括在紫外线照射下会分解的塑料和带有响应性“端盖”的大分子，可触发按需解聚。
重新设计的单体和大分子单体是制造更具可持续性的塑料的一项新兴战略。化学家依靠自由基的开环反应，使他们能够在传统上具有全碳主链的结构中掺入杂原子和官能团（例如酯）。所得的聚合物更容易水解和再循环。最近，几个小组对这种技术进行了优化，提供了多种可生物降解的塑料，这些塑料保持了常规聚合物的吸引力。从广泛可用的内酯开始，研究人员开发了一种坚固而稳定的聚合物，该聚合物可以在温和的条件下一次又一次地回收。
这些方法远未得到广泛采用。尽管如此，化学家们正在朝着正确的方向前进-重新考虑聚合物并设计确保可回收性的结构。毫无疑问，化学是找到塑料问题解决方案的最佳机会，同时促成至少五个不同的SDG。
八、纳米传感器
在化学中，传感过程涉及两个步骤：当分析物分子遇到其受体时进行识别；然后转换，将事件“翻译”成输出信号。纳米传感器的工作方式相似，只是它们使用纳米材料作为活性元素。
化学和材料科学的进步已取得重大进展。研究人员探索了各种各样的纳米结构材料-金属，氧化物，碳纳米管，石墨烯，聚合物-由于其高的表面体积比，它们在传感方面具有显着的优势。纳米传感器广泛用于分析化学领域。近年来，抗体已经引起了极大关注，由于大流行所造成的冠状病毒SARS-COV-2。幸运的是，化学家们使用纳米材料的独特性能，以创建抗体的纳米传感器是非常敏感和特异的。例如，金纳米颗粒可以在15分钟内检测到SARS-CoV-2。
我们被传感器包围着-它们位于我们的手机，健身带，智能手表和计算机中。纳米传感器将变得越来越受欢迎，有助于我们将新鲜食品与即将过期的产品区分开来，或提高我们检测以前未知的脑电波的能力，从而为癫痫病等疾病提供潜在的治疗方法。传感器将帮助我们更好地了解我们所生活的世界。
九、RNA疫苗
疫苗使我们的免疫系统与疾病作斗争。疫苗通过不同的试剂诱导抗体的产生，即识别并触发病原体破坏的分子。特别是，RNA疫苗具有非常巧妙的方法来实现这一目标-为患者提供编码抗原产生的RNA序列，该序列最终会刺激免疫反应和抗体的合成。尽管RNA疫苗尚未被批准用于人类，但它们已在临床试验中显示出令人鼓舞的结果。他们提供迅速解决方案以预防由新型SARS-CoV-2冠状病毒引起的感染的潜力再次使它们成为众人关注的焦点。
RNA疫苗的优势之一是其合成可以轻松扩大规模。要开发经典疫苗，研究人员需要在细胞培养物中培养传染原，这需要使用大容量反应器和大量时间。另一方面，RNA链可以使用经过数十年优化甚至自动化的方法合成。而且，RNA疫苗可以非常快速地设计。伦敦帝国学院的Robin Shattock团队在获得病毒基因组序列后的两周内开发了针对COVID-19的候选疫苗。团队有信心在明年之前取得初步结果。*与传统疫苗相比，这是一个真正的优势，而传统疫苗通常需要长达十年的研发时间，并且平均需要投入十亿美元才能投入市场。
除COVID-19外，科学家还在探索RNA疫苗在预防其他传染病（如寨卡病毒，狂犬病，HIV，流感，甚至癌症）中的潜力。研究表明，RNA疫苗可以刺激针对癌细胞的免疫反应，使其成为新型免疫疗法的诱人替代品。比尔和梅琳达·盖茨基金会（Bill＆Melinda Gates Foundation）已为该技术的进一步开发投入了5200万美元的初始资金。
此外，几家公司正在研究RNA疫苗。其中脱颖而出CureVac和BioNTech，无论是在德国和Moderna的在他们的所有美国已经调整了管道调查针对SARS冠状病毒-2，RNA疫苗，并有信心，他们能够生产高档如有需要。RNA疫苗发展迅速-实际上，Moderna的候选药物（mRNA-1273）已准备在6月中旬开始对3万名志愿者进行III期临床试验。
尽管还很年轻，但RNA疫苗的领域可能会在未来几年中蓬勃发展，尤其是考虑到生产速度和适应性如何。另外，如果针对COVID-19的RNA疫苗成功并迅速推向市场，则可以进一步促进该技术的发展。
十、快速诊断测试
快速诊断测试是适用于快速医学筛查的化学分析方法。它们通常涉及一系列易于遵循的步骤，并在几分钟内提供结果。而且，这些测试很少需要额外的设备，从而便于在资源匮乏的环境中使用它们。可能最著名的例子是家庭妊娠测试，仅在美国，每年就售出超过三千五百万件。也有快速测试来诊断诸如疟疾，艾滋病和流感等疾病。
快速的测试由于化学反应而起作用。通常，他们使用抗体来检测抗原的存在。如果测试呈阳性，抗体会与发生某种化学反应的不同类型的探针相关联，这通常涉及颜色变化，从而使结果的解释非常简单。
当前的COVID-19大流行导致实验室设备短缺，无法进行更彻底的PCR测试。因此，世界各地的科学家们优先考虑的快速测试的发展，以检测SARS-COV-2和确诊患人的病这种病毒的原因。 制药公司雅培（Abbott）开发了一项COVID-19测试，据称使用环介导的等温扩增，仅五分钟即可得出结果。但是，后者需要一些实验室设备。
目前，世界卫生组织（WHO）不建议使用快速诊断测试来检测COVID-19患者的抗原。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授权和欧盟委员会的CE标志 -Autobio Diagnostics，CTK Biotech和Hangzou Biotech。因此，化学家们需要争分夺秒地开发一种合适的替代方案，该替代方案可以及时产生重要的结果。
参考资料：
1. IUPAC 官网
2.Chemistry International October-December 2020
