近日，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）公布了“2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名單。詳細(xì)介紹如下：

01 Sodium-ion batteries

鈉離子電池

鈉離子電池（NIB 或 SIB）是一種可充電電池，類似于鋰離子電池，但使用鈉離子 作為電荷載體。它的工作原理和電池結(jié)構(gòu)與商業(yè)上廣泛使用的鋰離子電池類型幾乎相同，但使用的是鈉化合物而不是鋰化合物。

鈉離子電池正在成為現(xiàn)有鋰電池技術(shù)的潛在替代品，因?yàn)槭澜鐚⒚媾R后者資源的減少。此外，與鋰相比，鈉的低成本是考慮鈉作為未來(lái)替代電池技術(shù)的一個(gè)有希望的因素。由于 SIB 使用豐富且廉價(jià)的材料（如鈉代替鋰，鋁代替銅），因此預(yù)計(jì)它們會(huì)比 LIB 便宜。此外，SIBs 對(duì)環(huán)境的影響很小。盡管 SIB 比 LIB 重，但它們更適用于重量和體積不太重要的固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)。

我們需要更好、更實(shí)惠的電池。鈉離子電池是一種豐富且價(jià)格合理的鋰替代品。--IUPAC

02 Nanozyme

納米酶

納米技術(shù)是開(kāi)發(fā) COVID-19 疫苗的關(guān)鍵。納米世界在醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可能性已變得顯而易見(jiàn)，許多其他技術(shù)也引起了研究人員和 IUPAC 專家的關(guān)注。其中有納米酶，具有天然酶特性的納米材料，以及一些補(bǔ)充特性。由于納米酶是人造的，并且是在實(shí)驗(yàn)室按需設(shè)計(jì)的，因此它們?cè)诜€(wěn)定性、可回收性和成本方面具有多種優(yōu)勢(shì)。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內(nèi)起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩(wěn)定的儲(chǔ)存。

納米酶領(lǐng)域大約在 20 年前出現(xiàn)。2004 年，意大利研究人員將金納米粒子功能化以催化磷酸化反應(yīng)，幾年后，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)某些納米粒子自然表現(xiàn)出類似酶的活性（Nature Nanotech, 2007, 2, 577–583 ）。這兩件事都引發(fā)了一個(gè)全新領(lǐng)域的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，此后取得了非常重大的進(jìn)展，包括在美國(guó)、歐洲和亞洲的一些開(kāi)創(chuàng)性商業(yè)企業(yè)。納米酶的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)來(lái)自定制的可能性。化學(xué)家附加各種分子來(lái)修飾納米酶的特性，使其超越經(jīng)典的催化能力。納米世界在表面積方面提供了獨(dú)特的可能性，并允許多功能化——應(yīng)用于生物分析、診斷、******、傳感、水處理等等。納米酶領(lǐng)域具吸引力的方法之一是開(kāi)發(fā)新型即時(shí)診斷技術(shù)，有可能滿足世界衛(wèi)生組織 (WHO) 的關(guān)鍵呼吁。對(duì)于 WHO，床旁設(shè)備應(yīng)符合 ASSURED 標(biāo)準(zhǔn)——經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、敏感、具體、用戶友好、快速、無(wú)設(shè)備和交付。納米酶可以為許多不同的測(cè)試技術(shù)提供這些特性，包括電化學(xué)、熒光、比色和免疫分析。此外，它們確保了小型化和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，與當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)相比，這兩項(xiàng)都是重要的改進(jìn)。此外，納米酶已顯示出良好的生物兼容性，可確保安全集成到醫(yī)療保健應(yīng)用中，包括生物成像和病原體檢測(cè)。

此外，納米酶已在******中找到用途，主要是因?yàn)樗鼈兇呋c衰老、炎癥、不孕癥、神經(jīng)退行性疾病和癌癥有關(guān)的活性氧和氮。在一些初步研究中，納米酶已顯示出針對(duì)所有這些問(wèn)題的保護(hù)特性，并且還促進(jìn)了干細(xì)胞的生長(zhǎng)，這對(duì)組織工程和其他療法很有用。除了生物醫(yī)學(xué)，納米酶已成為水處理和去除污染的有用解決方案，符合聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 6、14 和 15，所有這些都與清潔環(huán)境有關(guān)。這種特殊應(yīng)用的一個(gè)有趣方面是鐵基納米酶的可回收性，這源于它們的磁性。凈化污染介質(zhì)后，很容易用磁鐵從溶液中提取納米酶，用于后續(xù)處理和再利用。研究人員還設(shè)計(jì)了基于金、鈰、鉑和汞納米酶的邏輯門——所有這些都可以促進(jìn)計(jì)算機(jī)的小型化。通過(guò)解決天然和人造酶的一些問(wèn)題，并提供一些有前途的新特性，納米酶很快就會(huì)成為許多不同應(yīng)用中有吸引力的替代品。

納米酶是一種結(jié)合自然和人工催化的力量，它在穩(wěn)定性、可回收性和成本方面具有多種優(yōu)勢(shì)。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內(nèi)起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩(wěn)定的儲(chǔ)存。--IUPAC

03 Aerogels

氣凝膠

氣凝膠是一類由凝膠衍生的合成多孔超輕材料，其中凝膠的液體成分已被氣體取代，凝膠結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯塌陷，形成具有極低密度和極低熱導(dǎo)率的固體。氣凝膠可以由多種化合物制成，例如二氧化硅氣凝膠摸起來(lái)像易碎的膨脹聚苯乙烯，而一些基于聚合物的氣凝膠摸起來(lái)像硬質(zhì)泡沫。

氣凝膠是通過(guò)超臨界干燥或冷凍干燥提取凝膠的液體成分來(lái)生產(chǎn)的。這允許液體緩慢干燥，而不會(huì)導(dǎo)致凝膠中的固體基質(zhì)因毛細(xì)作用而像傳統(tǒng)蒸發(fā)會(huì)發(fā)生的塌陷。氣凝膠結(jié)構(gòu)源于溶膠-凝膠聚合，即單體（簡(jiǎn)單分子）與其他單體反應(yīng)形成溶膠或由鍵合、交聯(lián)的大分子組成的物質(zhì)，其中有液體溶液的沉積物。當(dāng)材料被嚴(yán)格加熱時(shí)，液體會(huì)蒸發(fā)，留下鍵合、交聯(lián)的高分子框架。聚合和臨界加熱的結(jié)果是產(chǎn)生了一種具有多孔強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料，被歸類為氣凝膠。合成的變化可以改變氣凝膠的表面積和孔徑?？讖皆叫?，氣凝膠越容易破裂。

氣凝膠是已知的輕的固體之一，但是基于聚合物的氣凝膠具有很高的強(qiáng)度和抗撕裂性。另一個(gè)關(guān)鍵特性來(lái)自它們的低密度和孔隙率——它們是非常好的熱絕緣體，因此在航空航天技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了許多有趣的應(yīng)用。事實(shí)上，NASA 依靠一個(gè)專門的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)研究這類材料，并且已經(jīng)在他們的火星探測(cè)器和其他航天器中測(cè)試了其中一些材料作為絕熱體。氣凝膠提供出色的隔熱效果，其厚度僅為傳統(tǒng)絕緣材料的一半。

也許不足為奇的是，這樣的空間技術(shù)導(dǎo)致了氣凝膠更多的實(shí)際應(yīng)用。許多項(xiàng)目與 IYBSSD 和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的目標(biāo)一致——包括催化劑、超級(jí)電容器、藥物輸送系統(tǒng)和水凈化。后者——以及其他在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用——已被廣泛探索并顯示出巨大的前景。特別是，氣凝膠成功地去除了污染物，例如空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 以及水中的有毒物質(zhì)。通過(guò)不同的工藝，化學(xué)家定制氣凝膠的表面以改變它們的吸附能力，并調(diào)整它們的選擇性。具吸引力的應(yīng)用包括去除廢水中的重金屬離子以及有效清潔和處理溢油。此外，一些研究人員建議使用氣凝膠的巨大表面積來(lái)解決我們這一代具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問(wèn)題之一——大氣中二氧化碳的高濃度。它們?cè)谌萘亢凸ぷ鳒囟确矫媾c沸石和金屬有機(jī)骨架 (MOF) 等其他多孔材料競(jìng)爭(zhēng)，因此一些吸附氣凝膠已經(jīng)為此目的商業(yè)化。

此外，氣凝膠表面的可調(diào)節(jié)性導(dǎo)致在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和傳感方面的突破性應(yīng)用。而且這種組合更有趣。例如，氣凝膠的生物兼容性可能導(dǎo)致植入式設(shè)備監(jiān)測(cè)生理常數(shù)。生物兼容性和生物降解性已經(jīng)引發(fā)了能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存的用途，提供了比其他可用替代品更環(huán)保的解決方案。氣凝膠由葡萄糖、纖維素、石墨烯和其他環(huán)保材料制成，改善了電池、超級(jí)電容器甚至柔性電子產(chǎn)品的性能。但也許有趣的應(yīng)用再次來(lái)自氣凝膠的熱特性。不同的研究已經(jīng)證明了氣凝膠如何提高太陽(yáng)能熱電廠的效率，即。能量收集平臺(tái)，將太陽(yáng)的熱量集中起來(lái)產(chǎn)生蒸汽、移動(dòng)渦輪機(jī)和發(fā)電。因此，氣凝膠還為應(yīng)對(duì)持續(xù)的能源危機(jī)提供了有趣的工具。

氣凝膠是輕的隔熱材料，為應(yīng)對(duì)持續(xù)的能源危機(jī)提供了有趣的工具。---IUPAC

04 Film-based fluorescent sensors

薄膜熒光傳感器

熒光是化學(xué)和生物傳感的基本工具，主要是由于其靈敏度和選擇性。由于其可調(diào)諧性和多功能性，基于薄膜的熒光傳感器已成為一種廣泛使用的工具。在這些設(shè)備中，熒光分子被固定在合適的表面上，形成對(duì)外部刺激起反應(yīng)的 2D 或 3D 薄膜。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便攜性?；诒∧さ臒晒鈧鞲衅鞯某叽绮坏揭焕迕祝@使得分析工具可以小型化?；诒∧さ臒晒鈧鞲衅鞒梭w積小之外還具有有趣的特性，例如功率效率和易于操作。在過(guò)去的幾年里，陜西師范大學(xué)房喻院士團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出不同的基于薄膜的熒光傳感器來(lái)檢測(cè)不同的物種，特別是氨、NOx 和 VOC 等污染氣體。此外，這些薄膜還可以檢測(cè)更復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，包括殺蟲劑、神經(jīng)毒劑和三硝基甲苯 (TNT) 等

物（Mol. Syst. Des. Eng., 2016,1, 242-257）。

近，陜西師范大學(xué)房喻院士團(tuán)隊(duì)研究人員設(shè)計(jì)了一種基于薄膜熒光傳感器的“化學(xué)鼻”，以極高的靈敏度檢測(cè)尼古丁（Chem. Commun., 2019,55, 12679-12682）。這些結(jié)果暗示了基于薄膜的熒光傳感器在環(huán)境修復(fù)應(yīng)用中的巨大可能性，因?yàn)樗鼈兛梢栽诓煌廴疚锏臋z測(cè)、識(shí)別和量化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。近，研究人員已經(jīng)證明了基于薄膜的熒光傳感器檢測(cè)病原體的潛力，特別是食源性李斯特菌，這是許多食物中毒病例背后的致命細(xì)菌（Aggregate 2022, e203）。所有這些，再加上紫外線激光技術(shù)的新進(jìn)展，可能會(huì)導(dǎo)致污染檢測(cè)設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的小型化，在部署互連監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（例如通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)）和應(yīng)用可穿戴電子產(chǎn)品和便攜式傳感器領(lǐng)域。

基于薄膜的熒光傳感器擁有微型探測(cè)器的可調(diào)諧、多功能替代方案。--IUPAC

05 Nanoparticle mega libraries

巨型納米粒子圖書館

巨型圖書館和一種名為 ARES 的基于原位拉曼光譜的篩選技術(shù)幫助研究人員確定了一種新的金銅催化劑。它可用作合成由碳制成的單壁納米管的催化劑。美國(guó)研究人員表示，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種生產(chǎn) 65,000 多種復(fù)雜納米粒子的方法，每種納米粒子包含多達(dá)六種不同的材料和八個(gè)片段，其界面可用于電氣或光學(xué)應(yīng)用。每根長(zhǎng)約 55 納米，寬約 20 納米：相比之下，人類頭發(fā)的厚度約為 100,000 納米?！凹{米科學(xué)界對(duì)制造結(jié)合了幾種不同材料——半導(dǎo)體、催化劑、磁體、電子材料的納米顆粒非常感興趣，”賓夕法尼亞州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Raymond E Schaak 說(shuō)?！澳憧梢钥紤]將不同的半導(dǎo)體連接在一起，以控制電子如何穿過(guò)材料，或者以不同的方式排列材料來(lái)改變它們的光學(xué)、催化或磁性。Schaak 及其同事采用由銅和硫組成的簡(jiǎn)單納米棒，然后使用稱為陽(yáng)離子交換的過(guò)程用其他金屬順序替換一些銅。通過(guò)改變反應(yīng)條件，他們可以控制納米棒中銅被替換的位置（一端、兩端同時(shí)或中間）。他們用其他金屬重復(fù)了這個(gè)過(guò)程，這些金屬也可以放置在納米棒內(nèi)的位置。通過(guò)與幾種不同的金屬進(jìn)行多達(dá)七次連續(xù)反應(yīng)，他們可以創(chuàng)造出彩虹般的粒子——超過(guò) 65,000 種金屬硫化物材料的組合是可能的。

多年來(lái)，大數(shù)據(jù)和高通量篩選推動(dòng)了新化學(xué)品的發(fā)現(xiàn)。納米粒子巨型圖書館以某種方式將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為材料世界。通過(guò)創(chuàng)建具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)組成和結(jié)構(gòu)各不相同的納米粒子的陣列，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種強(qiáng)大的工具來(lái)個(gè)性化特性和應(yīng)用。

研究人員使用稱為聚合物筆光刻的納米顆粒沉積技術(shù)構(gòu)建這些巨型圖書館。不同的金屬鹽溶解在聚合物墨水中，然后使用數(shù)千個(gè)微小的軟小心地將其沉積在表面上——力和壓力決定了液滴的大小，從而決定了顆粒的大小。之后，加熱消除聚合物并減少鹽，使金屬納米顆粒準(zhǔn)備好催化化學(xué)反應(yīng)。它相當(dāng)于制造數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型反應(yīng)器，濃縮在一張簡(jiǎn)單的顯微鏡載玻片上（Science 2008, 321 (5896), 1658）。

納米粒子巨型圖書館，高通量合成篩選到達(dá)納米世界。--IUPAC

06 Fiber batteries

纖維電池

如前所述，世界需要更好的電池來(lái)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)。使用當(dāng)前技術(shù)有效地儲(chǔ)存能量是非常困難的。事實(shí)上，根據(jù)美國(guó)能源信息署的估計(jì)，使用電池供電的家用電器將使您的電費(fèi)增加三倍并占用大量空間。纖維電池提供了另一種有趣的解決方案，同時(shí)在可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域開(kāi)辟了可能性。

纖維電池的配置與傳統(tǒng)的替代品完全不同，通?；诙询B的電極和組件——很像意大利化學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔的原始設(shè)計(jì)。相反，纖維電池呈現(xiàn)出幾乎一維的設(shè)計(jì)，以纏繞的電線作為電極。該結(jié)構(gòu)受到聚合物涂層的保護(hù)，聚合物涂層也將電解質(zhì)密封在電池內(nèi)。類似地，這種設(shè)計(jì)的修改版本產(chǎn)生了超級(jí)電容器——一種能夠快速提供電荷的儲(chǔ)能解決方案，例如在攝影閃光燈中?？傮w而言，纖維電池與其他解決方案相比具有一系列優(yōu)勢(shì)；它們靈活、堅(jiān)固且安全。此外，編織纖維可制成電池“織物”，適用于許多不同的形狀和應(yīng)用。一些研究表明，電池織物柔軟且透氣，因此非常適合可穿戴電子產(chǎn)品的應(yīng)用。它們似乎還可以承受洗滌，而不會(huì)損失任何能量密度。其他方法，例如熱拉法，允許用電活性凝膠制造纖維電池，同時(shí)電極得到柔性防水包層的保護(hù)。這種策略已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá) 140 米的纖維的連續(xù)生產(chǎn)，并展示了類似的放電能力。

近，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授課題組開(kāi)發(fā)了基于鋰離子技術(shù)生產(chǎn)高性能編織纖維電池的新方法。這些設(shè)備的能量密度比個(gè)纖維電池原型好八十倍；此外，它們?cè)谖灏俅纬潆娧h(huán)后仍保留 90% 的容量，這與大多數(shù)商用電池相當(dāng)。在概念驗(yàn)證應(yīng)用中，科學(xué)家們研究了為智能手機(jī)無(wú)線充電的可能性，以及將編織電池與紡織品顯示器和交互式夾克集成在一起，用于監(jiān)測(cè)不同的身體常數(shù)。該工藝還具有可擴(kuò)展性，因?yàn)樗?jīng)過(guò)優(yōu)化，可與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)設(shè)備配合使用，包括紡織工業(yè)中廣泛使用的機(jī)械，如劍桿織機(jī)。在理想情況下，電池的成本可能低于每米 0.05 美元（相關(guān)報(bào)道：不到半年，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊(duì)再發(fā)Nature?。Ｈ呛腿A為等公司正在研究纖維電池的潛力，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將與可穿戴設(shè)備和印刷電子產(chǎn)品等產(chǎn)品一起增長(zhǎng)。

纖維電池，一種新的儲(chǔ)能形式，為可穿戴設(shè)備做好準(zhǔn)備。--IUPAC

07 Liquid solar fuel synthesis

生產(chǎn)液態(tài)太陽(yáng)能

植物利用光合作用將二氧化碳和陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為葡萄糖。同樣，化學(xué)家創(chuàng)造了“人工光合作用”來(lái)模擬這一過(guò)程，并生產(chǎn)出富含能量的物質(zhì)，并用作燃料。通常，研究人員會(huì)尋找碳基分子，例如醇類和低分子量碳?xì)浠衔?，以用污染較少的替代品替代無(wú)處不在的石油衍生燃料。然而，一些分類還包括氫、氨和肼等燃料，只要其制造中使用的主要能源是完全可再生的——主要是太陽(yáng)能和風(fēng)能。像電池一樣，太陽(yáng)能燃料提供了儲(chǔ)存間歇性能量的新機(jī)會(huì)。這就是為什幺一些專家稱這種策略為“裝瓶可再生能源”。

光催化也提供了巨大的機(jī)會(huì)。通過(guò)直接使用陽(yáng)光來(lái)激活和加速反應(yīng)，化學(xué)家可以節(jié)省步驟并簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程。許多人認(rèn)為光催化是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為能源豐富的產(chǎn)品（如燃料）的理想方法。目前，世界各地的許多團(tuán)體都在努力解決這一過(guò)程中的問(wèn)題。即使是植物，經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化，也只能管理高 4% 的能量轉(zhuǎn)換效率。其中一些解決方案來(lái)自將人造催化劑與天然結(jié)構(gòu)（例如酶甚至細(xì)菌）配對(duì)。除其他優(yōu)點(diǎn)外，這些耦合系統(tǒng)提供了獲取有趣的商品化學(xué)品的途徑，例如乙酸。其他團(tuán)體夢(mèng)想在夜間工作的光催化過(guò)程，并將催化劑連接到電容器和電池，它們?cè)谡彰髌陂g儲(chǔ)存能量并在晚上開(kāi)始釋放能量?！俺志霉獯呋钡母拍羁梢詼p少間歇性，提高過(guò)程的性能。

液態(tài)太陽(yáng)能燃料，“裝瓶可再生能源”和制造更環(huán)?；瘜W(xué)品的戰(zhàn)略。--IUPAC

08 Textile displays

紡織品展示

屏幕在我們的生活中無(wú)處不在。此外，據(jù)估計(jì)，我們 80% 的外部環(huán)境感知直接來(lái)自我們的眼睛，這使得視覺(jué)成為重要和復(fù)雜的感覺(jué)。現(xiàn)在，隨著高速通信和連接設(shè)備（即物聯(lián)網(wǎng)）的出現(xiàn)，研究人員開(kāi)始探索紡織品展示領(lǐng)域。這些設(shè)備將改變我們的日常電子產(chǎn)品，以及我們與它們互動(dòng)的方式，并促進(jìn)新型可穿戴設(shè)備和智能織物的商業(yè)化。

傳統(tǒng)上，可穿戴設(shè)備依賴于貼在織物和紡織品表面的薄膜顯示器。紡織顯示器的做法完全不同，其實(shí)和上面提到的纖維電池很相似。研究人員直接開(kāi)發(fā)出能夠發(fā)光的纖維，然后將它們交織在一起形成柔性織物作為顯示器。這種策略解決了很多問(wèn)題：一是增加了透氣性，傳統(tǒng)屏風(fēng)會(huì)阻礙；其次，它使可穿戴設(shè)備更柔軟，更接近實(shí)際的衣服；第三，纖維自由彎曲；變形對(duì)發(fā)射的影響不如薄膜屏幕。

研究人員研究了許多不同的材料來(lái)制造紡織品顯示器。例如，有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)——通常是平面夾層結(jié)構(gòu)——已被改造成同軸纖維?；蛘?，聚合物發(fā)光二極管 (PLED) 增加了靈活性。使用的聚合物具有電致發(fā)光特性，并支持流行的生產(chǎn)工藝。由于一些將少量 OLED 與 PLED 結(jié)合在一起，因此出現(xiàn)了一種新的命名法來(lái)定義這些發(fā)光設(shè)備：光纖 LED (FLED)。復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)使用發(fā)光電化學(xué)電池，將陰極和陽(yáng)極材料與電解質(zhì)或粉末狀發(fā)光材料（通常是硫化物鹽）分散到纖維中。前者實(shí)現(xiàn)了顏色可調(diào)性等新穎性，而后者盡管亮度較低，但從生產(chǎn)的角度來(lái)看具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?strong>允許使用傳統(tǒng)的編織工藝，從而實(shí)現(xiàn)米長(zhǎng)的纖維和高表面顯示器(復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)今日《Nature》！)。

紡織品展示，用于柔性屏幕的基于纖維的發(fā)光二極管。--IUPAC

09 Rational vaccines with SNA

合理球形核酸疫苗

COVID-19 大流行強(qiáng)調(diào)了疫苗的重要性。事實(shí)上，IUPAC“十大”倡議也一再承認(rèn)該領(lǐng)域新興和成熟技術(shù)的價(jià)值，例如 mRNA 疫苗和核酸的可擴(kuò)展合成?，F(xiàn)在，在這一版中，我們的專家選出了疫苗學(xué)中另一個(gè)有趣的創(chuàng)新：球形核酸，通常簡(jiǎn)稱為 SNA。初于 1996 年開(kāi)發(fā)，這些結(jié)構(gòu)星狀核酸鏈連接到不同種類的納米結(jié)構(gòu)。首先是金納米粒子，但其他材料——二氧化硅、聚合物、蛋白質(zhì)、膠束、MOF——緊隨其后，提供了強(qiáng)大的多功能性。

SNA 的化學(xué)和生物學(xué)特性與線性核酸不同，即使它們共享相同的核苷酸串行。三維排列促進(jìn)進(jìn)入細(xì)胞，這發(fā)生得更快，數(shù)量更多。此外，這樣的組織會(huì)產(chǎn)生單個(gè)組件單獨(dú)缺乏的屬性。事實(shí)上，初步研究表明，以前在臨床試驗(yàn)中失敗的******性抗原和佐劑在納入納米工程 SNA ******時(shí)可能會(huì)顯示出增加的活性。

事實(shí)證明，SNA 疫苗可有效預(yù)防傳染性病原體，例如 SARS-CoV-2，即導(dǎo)致 COVID-19 的冠狀病毒。當(dāng)受到致命劑量的病毒攻擊時(shí)，先前接種過(guò)疫苗的小鼠存活下來(lái)，這證明了 SNA 產(chǎn)生良好免疫反應(yīng)的保護(hù)潛力。值得注意的是，這種特殊的設(shè)計(jì)不需要刺突蛋白的整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)工作。覆蓋有 DNA 的脂質(zhì)體包裹了受體結(jié)合域的較小抗原，從而簡(jiǎn)化了此類疫苗的合成和適應(yīng)性。此外，SNA 制劑在室溫下保持穩(wěn)定，這有助于在偏遠(yuǎn)地區(qū)獲得疫苗，符合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

球形核酸在癌癥免疫療法中也顯示出前景，特別是針對(duì)黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一項(xiàng)研究中，用 SNA 疫苗******成功地消除了 30% 的小鼠的腫瘤，這推動(dòng)了向人體臨床試驗(yàn)的過(guò)渡。事實(shí)上，目前有六項(xiàng)人體臨床試驗(yàn)測(cè)試 SNA 相關(guān)產(chǎn)品用于免疫******和基因調(diào)控。生物技術(shù)公司 Exicure 尋求 SNA 療法的批準(zhǔn)和商業(yè)化，并已開(kāi)始與 Allergan、Dermelix 和 Ipsen 合作開(kāi)發(fā)不同的藥物。SNA 是一項(xiàng)新興技術(shù)，未來(lái)可能會(huì)改變我們應(yīng)對(duì)疾病的方式。

帶有 SNA 的合理疫苗，球形核酸重塑和重組疫苗技術(shù)。--IUPAC

10 VR-enable interactive modeling

VR 平臺(tái)交互式建模

在元節(jié)之年，IUPAC“十大”涉足虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）。通過(guò)虛擬空間，研究人員探索增強(qiáng)計(jì)算化學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)可能性的互動(dòng)合作。由于這些與分子的創(chuàng)新相互作用，研究人員加強(qiáng)了他們的特殊推理，并提高了他們對(duì)量子化學(xué)的理解。

支持 VR 的平臺(tái)不是通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)交互，而是允許研究人員進(jìn)入一個(gè)充滿巨大分子的想象房間，并通過(guò)他們手中的同步無(wú)線控制器“觸摸”它們。一旦進(jìn)入那里，他們就會(huì)戳原子、移動(dòng)它們、引入修飾和官能團(tuán)——同時(shí)虛擬分子由外部計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)模擬和渲染。由于分子間相互作用本質(zhì)上是三維的，因此在這些虛擬空間中工作可以提高我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的理解。這種身臨其境的體驗(yàn)，在手術(shù)室和動(dòng)畫工作室等其他環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，可加速結(jié)果并減少錯(cuò)誤。使用 VR 時(shí)，化學(xué)家完成分子建模任務(wù)的速度比使用傳統(tǒng)界面快十倍。

這一策略遠(yuǎn)非幻想，而是已經(jīng)提供了現(xiàn)實(shí)生活中的結(jié)果。例如，VR 設(shè)置幫助研究人員有效地生成蛋白質(zhì)-配體對(duì)接姿勢(shì)，利用專家和非專家來(lái)探索不同的位置可能性。該模型致力于設(shè)計(jì)不同的抗病毒藥物，其中包括用戶“即時(shí)”實(shí)施的修改，因?yàn)樗麄兇_定了可以更好地結(jié)合蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)的原子和官能團(tuán)。此外，研究人員使用類似的策略來(lái)設(shè)計(jì)針對(duì) SARS-CoV-2 的主要靶標(biāo)之一的抑制劑，一種稱為 Mpro 的蛋白酶。所有這些研究都是在開(kāi)源框架 Narupa 下運(yùn)行的，該框架與市場(chǎng)上大多數(shù)商品 VR 設(shè)備一起運(yùn)行。這些研究的另一個(gè)好處來(lái)自演示期間的全面數(shù)據(jù)收集。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，這些信息將指導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們比其他方法更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)分子的特性。

VR 建模還為化學(xué)教育創(chuàng)造了新的可能性，符合 SDG 4 和 IUPAC 的核心價(jià)值觀。學(xué)生在使用這些 VR 增強(qiáng)工具時(shí)的反饋，特別是一個(gè)名為 Manta 的進(jìn)程，比傳統(tǒng)技術(shù)要積極得多。由于對(duì)原子和分子的直接觀察，學(xué)生對(duì)宏觀和微觀現(xiàn)象的理解似乎也是如此。此外，數(shù)字工具為遠(yuǎn)程教育開(kāi)辟了可能性，從而使教師能夠與幾乎任何地方的任何人分享他們的課程，只要他們有互聯(lián)網(wǎng)連接并可以訪問(wèn) VR 集。

封面來(lái)源于圖蟲創(chuàng)意