近日，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）推出了“2022化學領域十大新興技術（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜單。所謂新興技術，IUPAC認為就是那些介于實驗性發現和完全商業化之間的變革性創新技術，在化學、可持續發展等領域具有創造新機會的巨大潛力。看看今年又有哪些上榜，一睹為快。

（1）氣凝膠——不只是最輕的隔熱材料

低密度和多孔的氣凝膠具有很好的隔熱性能，因此在航空航天技術中有許多應用。美國宇航局已經在火星探測車和其他航天器上測試了一些作為隔熱材料的氣凝膠。此外，氣凝膠還有更多的實際應用場景，其中許多與可持續發展目標相一致，包括高效催化劑、超級電容器、藥物輸送系統和水凈化。

特別值得關注的是，氣凝膠可用于去除污染物，如空氣中的揮發性有機化合物（VOC）、溫室氣體（如二氧化碳）以及水中的有毒物質（重金屬離子、石油泄漏等），以凈化空氣及水源。通過不同的工藝，化學家們可以調整氣凝膠的表面以改變其吸附能力，調整其選擇性，并已經在生物醫學技術和傳感領域實現了突破性的應用。

氣凝膠可由葡萄糖、纖維素、石墨烯和其他環保材料制成，已被用于改善電池、超級電容器甚至柔性電子產品的性能。但也許最有趣的應用還是來自氣凝膠的熱性質，不同的研究已經證明了氣凝膠可以提高太陽能熱電廠（收集太陽熱能產生蒸汽，推動渦輪機并產生電力）的效率。也就是說，氣凝膠也可為對抗持續的能源危機提供幫助。

氣凝膠材料。圖片來源：NASA

（2）纖維電池——新儲能形式，可穿戴設備的福音

纖維電池的結構與傳統電池完全不同。傳統電池通常都包括堆疊的電極和其他組件；而纖維電池幾乎是一維的，電極是纏繞在一起的電線，聚合物涂層既能提供保護，還將電解質密封在電池內。

纖維電池具有一系列優勢，柔性、結實、安全，此外編織纖維還可制成電池“織物”，可以適應許多不同的形狀和應用。一些研究表明，電池織物柔軟透氣，非常適合應用于可穿戴電子產品。它們似乎也能承受多次洗滌而不損失能量密度。

最近，研究人員開發了基于鋰離子技術生產高性能編織纖維電池的新方法，能量密度是第一代纖維電池原型的80倍，在500次充電循環后仍能保持90%的容量，這與大多數商用電池相當。三星（Samsung）和華為（Huawei）等公司正在研究纖維電池的潛力，相關市場預計將隨著可穿戴設備和印刷電子產品等市場的增長而增長。

纖維電池及電池織物。圖片來源：Pure Appl. Chem.

（3）薄膜基熒光傳感器——可調、多功能、小型化

在薄膜基熒光傳感器中，熒光分子被固定在合適的表面上形成2D或3D薄膜，響應外部刺激。薄膜基熒光傳感器尺寸可小于一厘米，其他優點還包括功率效率高和易于操作。

在過去的幾年里，研究人員開發了不同的薄膜基熒光傳感器以檢測不同的物質，比如氣體污染物如氨、氮氧化物和VOC，以及更復雜的化學物質如殺蟲劑、神經毒劑和爆炸物。

最近，研究人員已經證明了薄膜基熒光傳感器檢測病原體的潛力，特別是食物中毒背后的常見致命細菌——單核增生李斯特菌。所有這些，再加上最近紫外線激光技術的進步，可能會催生小型化污染檢測設備和生物醫學設備。

盡管薄膜基熒光傳感器在實驗室表現搶眼，但仍有待商業化。要將它們應用到現實生活中的設備中，還需要其他領域的發展。也許現代制造業的進步將彌合學術界和工業界之間的鴻溝。

薄膜基熒光傳感器檢測病菌。圖片來源：Aggregate

（4）液態太陽能燃料合成——“瓶裝可再生能源”和更環保的化學品

化學家通過“人工光合作用”利用太陽能生產出可作為燃料的富能物質，通常是碳基分子例如醇和低分子量烴類，以取代無處不在的石油衍生燃料。這些物質被稱為太陽能燃料，當然，有些科學家將氫、氨和肼等也包含進來，只要制造過程中使用的主要能源是太陽能。

太陽能燃料為儲存間歇性的太陽能提供了新的機會，這就是為什么一些專家稱這種燃料為“瓶裝可再生能源（bottle renewables）”。如今，試驗性太陽能燃料工廠已經開始在世界各地出現，研究人員也在專注于解決一些未來可能出現的障礙，例如銅催化劑在合成長鏈烴類所面臨的挑戰。

光催化也是備受關注的方法，許多人認為光催化是將太陽能轉化為燃料的理想方法。一些解決方案將人造催化劑與天然結構（如酶甚至細菌）結合起來生產化學品，如乙酸。還有一些方法直接組合光收集技術與電解槽，以最大限度地減少損失。隨著技術的進步，未來的化學工業有可能在不需要石油和天然氣的情況下生產商業化學品。

（5）大型納米粒子庫——納米世界迎來高通量合成和篩選

大型納米粒子庫，可以看作成分和結構各異的數百萬納米粒子形成的陣列，構建策略通常是一種被稱為聚合物筆光刻（polymer pen lithography）的納米粒子沉積技術。不同的金屬鹽被溶解到聚合墨水中，然后用成千上萬個微小的軟筆尖沉積在表面上，加熱去除聚合物并還原鹽，得到可催化反應的金屬納米粒子陣列。

換句話說，這相當于在一張普通的載玻片上制造數百萬個微反應器。雖然這項技術很新，但研究人員已經有了一些有趣的發現。

例如，在2018年，大型納米粒子庫被用于篩選制備單壁碳納米管的潛在催化劑。研究人員從數十萬種不同金和銅比例的納米粒子中，篩選出了此前從未發現過的理想催化劑——Au3Cu。

此外，大型納米粒子庫也可能會幫助“材料基因組”領域的發現。由于大型納米粒子庫產生了巨量的數據，研究人員已經開始使用機器學習算法來加速分析，人工智能的加入可幫助科學家更快地在納米世界發現新的材料。

大型納米粒子庫。圖片來源：Chem. Int.

（6）納米酶——結合自然和人工催化的力量

納米酶指的是具有天然酶性質的納米材料。與自然酶只在特定的溫度和pH值范圍內工作不同，按需設計的納米酶在穩定性、可回收性和成本方面具有優勢。

近年來，化學家們將各種各樣的分子附著在納米酶上，以改變其傳統催化能力之外的性質，在多個領域表現出了應用潛能，比如生物分析、診斷、治療、傳感、水處理等。

納米酶領域最具吸引力的方向之一是開發新型即時診斷技術，實現低成本、高靈敏度、高特異性、用戶友好、快速、無需復雜設備的診斷。納米酶可以為許多不同的測試技術提供支持，包括電化學、熒光、比色和免疫分析。

此外，納米酶已經顯示出良好的生物相容性，這對于醫療健康領域的應用（包括生物成像和病原體檢測）十分重要。在治療方面，納米酶也有不錯的前景，研究者使用納米酶催化消除與衰老、炎癥、神經退行性疾病和癌癥有關的活性氧和氮物種。

除了生物醫學，納米酶已經成為水處理和去除污染中的先進解決方案，比如鐵基納米酶，在凈化被污染的介質后，用磁鐵即可很容易地回收，便于后續的處理和再利用。通過解決天然酶和人工酶的一些問題，并提供一些有前途的新功能，納米酶可能很快成為許多不同應用領域的寵兒。

（7）球形核酸疫苗——重塑疫苗技術

COVID-19大流行凸顯了疫苗的重要性。本次入選的疫苗學創新技術——球形核酸（spherical nucleic acid， SNA），包含納米結構核心及連接到核心上的核酸鏈。納米結構核心種類多樣，包括金、二氧化硅、聚合物、蛋白質、膠束、MOF等等。

SNA的化學和生物學性質不同于線性核酸，即便它們擁有相同的核苷酸序列。初步研究表明，以前在臨床試驗中失敗的治療性抗原和佐劑，如果用于SNA治療則會顯示出更高的活性。SNA疫苗已被證明可以有效預防傳染性病原體，如當前仍在肆虐的新冠病毒。

值得注意的是，SNA疫苗可在室溫下保持穩定，這有助于偏遠地區獲得疫苗。SNA在癌癥免疫治療方面也顯示出不錯的前景，特別是針對黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一項研究中，SNA疫苗治療成功地消除了30%小鼠的腫瘤，這推動了向人類臨床試驗的過渡。

事實上，目前有6項與SNA相關的人體臨床試驗正在進行，多家生物技術公司正在尋求SNA療法的上市批準?？傊琒NA很可能會改變我們未來應對疾病的方式。

不同的球形核酸結構。圖片來源：Mirkin Research Group

（8）鈉離子電池——來源更豐富、成本更低的電池

毫無疑問，我們需要更好更便宜的電池。如果沒有廉價的能源儲存方案，太陽能和風能等可再生能源將永遠不會成為主流。

相比于當前占市場主導地位的鋰離子電池，鈉離子電池雖然在能量密度等方面仍然存在不足，但在可持續性和循環經濟方面卻更占優——鈉元素地球儲量豐富，電池正極可用鐵和錳化合物，不依賴稀缺的含鈷礦物。鈉離子電池還更加安全，從而降低了運輸和儲存的成本和風險。計算化學為設計更高效的鈉離子電池提供了新的方法，有助于設計新的電極和電解質混合物，并有助于更好地理解材料行為和預測性能。

鈉離子電池已經引起了工業界的興趣。事實上，世界上最大的鋰離子電池制造商——寧德時代最近推出了他們的第一代鈉基商用電池，并致力于鈉鋰混合解決方案，以徹底改變電動汽車行業。與之同時，其他公司也在紛紛跟進。毫無疑問，鈉離子是高效能源儲存的另一種選擇。

（9）織物顯示器——用于柔性屏幕的纖維基發光二極管

傳統上，可穿戴設備依賴于貼在織物表面的薄膜顯示器。織物顯示器則完全不同，實際上，它與前面提到的纖維電池更相似。研究人員直接開發出能夠發光的纖維，然后將它們纏繞在一起，形成柔性織物作為顯示器。

科學家研究了許多不同的材料來制造織物顯示器，例如，將有機發光二極管（OLED）改造成同軸纖維。其他方法包括使用發光電化學池或將粉末狀發光材料（通常是硫化物鹽）分散進纖維中，前者實現了顏色可調，而后者盡管亮度較低，但從生產角度來看具有優勢，因為制造過程可用傳統的編織工藝，從而實現了米級的纖維和高表面顯示器。

雖然織物顯示器的應用主要集中在可穿戴設備上，但大屏幕可能會在未來的家庭及商業應用中找到空間。最近，工程師們演示了一種46英寸智能織物顯示器，在超大尺寸之外還帶了更多可能性，例如，它很容易與觸摸傳感器和無線功率發射器相結合，這為交互提供了新思路。

（10）支持VR的交互式建模——計算化學在元宇宙中連接

通過虛擬空間，研究人員探索交互式合作，給計算化學和分子動力學研究帶來更多可能性。

VR平臺不再通過鍵盤和鼠標與計算機交互，而是允許研究人員進入一個充滿巨大分子的想象房間，并通過手中的同步無線控制器“觸摸”它們，移動原子，引入修飾和功能基團，而所有這些所涉及的都是由外部計算機實時模擬和渲染的虛擬分子。這一策略并非幻想，而是已經在現實生活中產生了效果。研究人員已經使用類似的策略設計了針對新冠病毒主要靶點之一Mpro的蛋白酶抑制劑，使用的是開源框架Narupa。

VR建模也為化學教育打開了新的大門，學生們在使用這些VR增強工具時的反饋要比傳統技術積極得多，尤其是一個名為Manta的程序。同樣，VR技術在化學企業的遠程協作和跨國協作方面也擁有光明的前景。VR技術在化學科學中常常被忽視，但它很有可能成為所有實驗室的基本工具。

審核編輯 ：李倩