2021年度化學領域十大新興技術

• 　　區塊鏈技術Blockchain technology

• 　　半合成生命體Semi-synthetic life

• 　　超浸潤性Superwettability

• 　　人工腐殖質Artificial humic matter

• 　　RNA和DNA的化學合成Chemical synthesis of RNA andDNA

• 　　聲化學涂層Sonochemical coatings

• 　　生物用化學發光Chemiluminescence for biological use

• 　　氨的可持續生產Sustainable production of ammonia

• 　　靶向蛋白降解Targeted protein degradation

• 　　單細胞代謝組學Single cell metabolomics

　　區塊鏈技術

　　數字化的進步使化學創新更具可重復性和可追蹤性

　　區塊鏈可以存儲不同類型的信息,但迄今為止最常見的用途是作為交易的數字分類賬。值得注意的是,區塊鏈是去中心化的,因此沒有任何個人或團體可以控制,并且輸入的數據會被永久記錄和訪問。英國化學家已經嘗試使用區塊鏈來跟蹤一系列簡單的計算,其中每個階段的過程都被記錄下來并在數字分類賬中共享。一些化工公司已經創建了基于區塊鏈的系統來實現供應鏈的現代化,從而實現安全交易和持續跟蹤貨物。

　　半合成生命體

　　拓展生物化學和治療學的新字母

　　合成核苷酸的產生使化學家能夠構建人工生化機器,開發的新系統以最大程度地減少轉錄和翻譯過程中錯誤的數量。它們為設計靶向治療提供了新的化學工具,包括用于攻擊轉移性實體瘤的 Thor-707,目前正在臨床試驗中。

　　超浸潤性

　　一個世紀之久的發現提供了新的機會

　　超浸潤材料結合了兩種極端狀態--疏水性和親水性--具有獨特的流體動力學和反應性。為了創造它們,研究人員從大自然中汲取靈感,通過研究極難弄濕的荷葉和擅長吸水的蜘蛛絲。他們在金屬、聚合物和紡織品上構建出具有納米結構的表面,用于潛在的應用,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

　　為可持續和高效農業設計負碳解決方案

　　有機物質分解為腐殖質,為土壤添加有價值的養分,但是這個過程會產生二氧化碳和甲烷。因此,人工制造腐殖質更加可持續和高效。當添加到土壤中時,合成混合物可以改善土壤質量,提高作物產量并減少肥料使用。目前,有幾種方法可以加速有機物的分解--其中熱液腐化正在成為其中最吸引人的方案之一。

　　RNA和DNA的化學合成

　　COVID疫苗后核酸在藥物化學中的應用前景

　　基于mRNA的COVID疫苗的成功問世,為更多針對癌癥、糖尿病和其他傳染病的新型療法鋪平了道路。RNA和DNA的化學合成現在是全自動的,并且可以在幾個臺式合成設備中使用。該技術仍在不斷進步,例如使用了與傳統噴墨打印機相同的原理。利用這項技術,科學家們將不同的DNA 鏈直接并精確地打印到硅基微反應器中--這些設備在化學、生物技術和醫學方面有無數的應用。

　　聲化學涂層

　　更安全、更耐用、具有增值特性的材料

　　聲化學--使用(超)聲波來觸發化學反應,具有制造創新材料的巨大潛力,特別是用于抗菌涂層或智能涂層等表面,通過簡單的顏色變化就可以檢測致病菌的菌株。目前,開發中的應用包括延長食品的保質期,以及提高鋰離子電池的性能和穩定性。業界現在正在正在探索新的可能性,以將這項技術擴大到工業環境中,并開發能夠連續生產涂層材料的滾筒制備法(roll-to-rollmethods)。

　　生物用化學發光

　　水溶性二氧雜環丁烷提高了生物檢測的速度和靈敏度

　　發光分子在許多應用中都非常有用,無論是在犯罪現場檢測血液(魯米諾)還是在顯微鏡下照亮生物樣本(綠色熒光蛋白)。科學家們還在不斷地改進發光分子,以應用于高效二極管、安全信號、生物研究等方面。例如基于二氧雜環丁烷的化學發光探針,即使在沒有有機溶劑的幫助下,在有水的情況下也能發出明亮的光,這使它們特別適用于對生命系統進行成像。二氧雜環丁烷探針在檢測某些類型的腫瘤方面顯示出了巨大的前景,甚至有助于區分癌癥亞型。

　　氨的可持續生產

　　Harber-Bosch工藝的綠色替代品

　　用于合成氨的哈伯-博世(Haber-Bosch)是有史以來最成功的化學反應之一。但它是高能源密集型的工藝,并且會排放大量二氧化碳,科學家們需要一種可持續的替代途徑來生產氨。為了實現這一目標,他們設想了兩種互補的戰略。一方面,他們從大自然中尋找靈感--特別是細菌和藍藻中的固氮酶,由于有了鐵和鉬的輔酶,它們可以減少氮氣。另一方面,化學家也利用電的力量來打破三重氮-氮鍵,同時從水中獲取氫原子。如果使用的能源來自可再生資源--風能、水電、太陽能--這個過程就會變得加倍的可持續,因為它避免了對從化石燃料中獲得氫氣的依賴。

　　靶向蛋白質降解

　　利用我們的細胞機制來革新制藥業

　　這項技術使研究人員能夠控制體內有害蛋白質的數量,而不是試圖改變或抑制其活性。一種降解劑藥物可以通過蛋白酶體降解來破壞多種致病蛋白質,這項技術已經吸引了大型制藥公司的投資,并催生了多家初創企業。臨床試驗顯示了它在治療癌癥方面的前景,研究人員還探索蛋白酶體降解用于治療與蛋白質堆積有關的疾病的可能性,包括神經退行性疾病,如帕金森癥和阿爾茨海默癥。

　　單細胞代謝組學

　　分析生物分子,一次一個細胞

　　單細胞代謝組學可以確定單個細胞的代謝特征。隨著成像手段和技術的發展,例如質譜等技術的進步為認識單個細胞提供了新的視角。在冠狀病毒泛濫或在未來可能會爆發的未知情況的背景下,單細胞代謝組學將展示其巨大的可能性。一些研究利用它們的力量來更好地了解感染過程,以及入侵的病毒與我們的細胞之間的相互作用。