2021年度化学领域十大新兴技术
区块链技术Blockchain technology
半合成生命体Semi-synthetic life
超浸润性Superwettability
人工腐殖质Artificial humic matter
RNA和DNA的化学合成Chemical synthesis of RNA andDNA
声化学涂层Sonochemical coatings
生物用化学发光Chemiluminescence for biological use
氨的可持续生产Sustainable production of ammonia
靶向蛋白降解Targeted protein degradation
单细胞代谢组学Single cell metabolomics
区块链技术
数字化的进步使化学创新更具可重复性和可追踪性
区块链可以存储不同类型的信息,但迄今为止最常见的用途是作为交易的数字分类账。值得注意的是,区块链是去中心化的,因此没有任何个人或团体可以控制,并且输入的数据会被永久记录和访问。英国化学家已经尝试使用区块链来跟踪一系列简单的计算,其中每个阶段的过程都被记录下来并在数字分类账中共享。一些化工公司已经创建了基于区块链的系统来实现供应链的现代化,从而实现安全交易和持续跟踪货物。
半合成生命体
拓展生物化学和治疗学的新字母
合成核苷酸的产生使化学家能够构建人工生化机器,开发的新系统以最大程度地减少转录和翻译过程中错误的数量。它们为设计靶向治疗提供了新的化学工具,包括用于攻击转移性实体瘤的 Thor-707,目前正在临床试验中。
超浸润性
一个世纪之久的发现提供了新的机会
超浸润材料结合了两种极端状态--疏水性和亲水性--具有独特的流体动力学和反应性。为了创造它们,研究人员从大自然中汲取灵感,通过研究极难弄湿的荷叶和擅长吸水的蜘蛛丝。他们在金属、聚合物和纺织品上构建出具有纳米结构的表面,用于潜在的应用,包括分解水、去除污染物、自清洁纺织品、油水分离和相变液体冷却等。
人工腐殖质
为可持续和高效农业设计负碳解决方案
有机物质分解为腐殖质,为土壤添加有价值的养分,但是这个过程会产生二氧化碳和甲烷。因此,人工制造腐殖质更加可持续和高效。当添加到土壤中时,合成混合物可以改善土壤质量,提高作物产量并减少肥料使用。目前,有几种方法可以加速有机物的分解--其中热液腐化正在成为其中最吸引人的方案之一。
RNA和DNA的化学合成
COVID疫苗后核酸在药物化学中的应用前景
基于mRNA的COVID疫苗的成功问世,为更多针对癌症、糖尿病和其他传染病的新型疗法铺平了道路。RNA和DNA的化学合成现在是全自动的,并且可以在几个台式合成设备中使用。该技术仍在不断进步,例如使用了与传统喷墨打印机相同的原理。利用这项技术,科学家们将不同的DNA 链直接并精确地打印到硅基微反应器中--这些设备在化学、生物技术和医学方面有无数的应用。
声化学涂层
更安全、更耐用、具有增值特性的材料
声化学--使用(超)声波来触发化学反应,具有制造创新材料的巨大潜力,特别是用于抗菌涂层或智能涂层等表面,通过简单的颜色变化就可以检测致病菌的菌株。目前,开发中的应用包括延长食品的保质期,以及提高锂离子电池的性能和稳定性。业界现在正在正在探索新的可能性,以将这项技术扩大到工业环境中,并开发能够连续生产涂层材料的滚筒制备法(roll-to-rollmethods)。
生物用化学发光
水溶性二氧杂环丁烷提高了生物检测的速度和灵敏度
发光分子在许多应用中都非常有用,无论是在犯罪现场检测血液(鲁米诺)还是在显微镜下照亮生物样本(绿色荧光蛋白)。科学家们还在不断地改进发光分子,以应用于高效二极管、安全信号、生物研究等方面。例如基于二氧杂环丁烷的化学发光探针,即使在没有有机溶剂的帮助下,在有水的情况下也能发出明亮的光,这使它们特别适用于对生命系统进行成像。二氧杂环丁烷探针在检测某些类型的肿瘤方面显示出了巨大的前景,甚至有助于区分癌症亚型。
氨的可持续生产
Harber-Bosch工艺的绿色替代品
用于合成氨的哈伯-博世(Haber-Bosch)是有史以来最成功的化学反应之一。但它是高能源密集型的工艺,并且会排放大量二氧化碳,科学家们需要一种可持续的替代途径来生产氨。为了实现这一目标,他们设想了两种互补的战略。一方面,他们从大自然中寻找灵感--特别是细菌和蓝藻中的固氮酶,由于有了铁和钼的辅酶,它们可以减少氮气。另一方面,化学家也利用电的力量来打破三重氮-氮键,同时从水中获取氢原子。如果使用的能源来自可再生资源--风能、水电、太阳能--这个过程就会变得加倍的可持续,因为它避免了对从化石燃料中获得氢气的依赖。
靶向蛋白质降解
利用我们的细胞机制来革新制药业
这项技术使研究人员能够控制体内有害蛋白质的数量,而不是试图改变或抑制其活性。一种降解剂药物可以通过蛋白酶体降解来破坏多种致病蛋白质,这项技术已经吸引了大型制药公司的投资,并催生了多家初创企业。临床试验显示了它在治疗癌症方面的前景,研究人员还探索蛋白酶体降解用于治疗与蛋白质堆积有关的疾病的可能性,包括神经退行性疾病,如帕金森症和阿尔茨海默症。
单细胞代谢组学
分析生物分子,一次一个细胞
单细胞代谢组学可以确定单个细胞的代谢特征。随着成像手段和技术的发展,例如质谱等技术的进步为认识单个细胞提供了新的视角。在冠状病毒泛滥或在未来可能会爆发的未知情况的背景下,单细胞代谢组学将展示其巨大的可能性。一些研究利用它们的力量来更好地了解感染过程,以及入侵的病毒与我们的细胞之间的相互作用。