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新材料情报NMT | IUPAC 公布2020年化学领域十大新兴技术

新材料情报NMT 2020-10-27 10:16 发文

日前,国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)正式公布2020年度化学领域十大新兴技术(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry)评选结果,特别值得关注的是,本次评选结果中有两项是由我国科学家们引领的新兴方向。

IUPAC公布2020年化学领域十大新兴技术

2019年,IUPAC介绍了化学领域十大新兴技术。这一倡议不仅是为了纪念IUPAC的100周年,也是为了纪念门捷列夫最著名的化学符号首次出版150周年的元素周期表国际年。每一年,化学领域都会推出十大具有巨大潜力且创新的新兴技术,而这些将改变目前的化学和工业格局。

新材料情报NMT | IUPAC 公布2020年化学领域十大新兴技术

化学领域十大新兴技术也符合联合国可持续发展目标(SDG)。所选的技术将使我们的世界变得更美好,使我们的资源得到更周到的利用,有利于更有效的转型,并在新材料、更高效的电池、极其精确的传感器和个性化医药等应用领域提供更可持续的解决方案。

新材料情报NMT | IUPAC 公布2020年化学领域十大新兴技术

2020年10月7日,IUPAC在其官网公布了“2020年化学领域十大新兴技术”。这十大新兴技术依次是:双离子电池(Dual-ion batteries)、聚集诱导发光(Aggregation-induced emission)、微生物组和生物活性化合物(Microbiome and bioactive compounds)、液体门控技术(Liquid gating technology)、更利于塑料回收的大分子单体(Macromonomers for better plastic recycling)、高压无机化学(High-pressure inorganic chemistry)、人工智能(Artificial intelligence)、纳米传感器(Nanosensors)、核糖核酸疫苗(RNA vaccines)和快速诊断测试(Rapid diagnostics for testing)。

我国引领两项新兴技术方向

特别值得关注的是,本次评选结果中有两项是由我国科学家们引领的新兴方向:华南理工大学/香港科技大学唐本忠教授等人提出的“聚集诱导发光”和厦门大学侯旭教授等人提出的“液体门控技术”。另外,湖南大学鲁兵安教授团队和韩旭教授团队首个基于双离子机制运行的软包电池模型(“双离子电池”技术领域),以及北京高压科学研究中心对于高压环境下的最新监测技术(“高压无机化学”技术领域)受到了评审委员会的关注和报道。

聚集诱导发光

当今,有机发光材料已经在发光二极管和生物成像技术等方面得到了广泛的应用。通常,这类材料含有大量的芳香基元,但其在高浓度下倾向于堆叠,从而导致荧光猝灭,这一效应被称之为聚集导致发光猝灭。

早在2001年,唐本忠教授团队就观察到了一个与之相反的现象:某些分子在稀溶液中发光微弱,但堆积后发光显著增强,并称之为聚集诱导发光(AIE)。尽管这一现象报道之初,并没有引起足够的关注,但目前已经成为一个热点研究领域,AIE改变了人们对发光材料的传统认识。分子的“形状”是理解这一效应的关键。与传统的发光分子不同,AIE分子呈现非平面的构型,它们就像微型螺旋桨一样,不停地转动。但当它们聚集时,旋转大大抑制,从而能量以光的形式释放出来。自从AIE概念提出以来,化学家们已经制备了数类具有这种效应的化合物,其中包括经典的多环芳烃化合物和有机金属复合物,以及聚合物、寡糖和纳米粒子等。

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AIE为发光材料的发展开辟了新的道路,AIE材料已经在有机发光二极管、传感器和新型生物成像技术等方面得到了应用。实践证明AIE材料在光电器件、荧光传感器、生物成像等领域都有着巨大的应用潜力。聚集诱导发光是中国原创的、耕植于祖国大地的新兴技术。据不完全统计,截至2020年5月31日,全世界共有145个国家约12000家单位从事该技术的相关研究工作。作为聚集诱导发光研究的全球引领者,唐本忠院士立足于当今时代浪潮,致力于将聚集诱导发光的基础研究进行产业转化。

液体门控技术

使用液体作为结构材料来建造响应式阀门的想法听起来有些不可思议。然而,在2015年,由侯旭等人首次提出的“液体门控”这个新概念,并在最近的几年,逐渐将该原创概念发展成形,让这个想法成功地走进了现实。

通常来说,传统液体膜体系的作用机理在于两相界面上浓度或电位的化学势差异,而液体门控膜的作用机理则依赖于毛细管作用对压力变化所产生的响应。通过液体的动态重构与可逆恢复,液体门控体系可以实现孔道的开关功能以及可调的压强控制性能;通过对膜孔道的修饰和门控液体的选择,可实现门控体系对所传输物质的物理或者化学响应。结合以上两种特性,液体门控技术就可以对所通过的物质包括气体,液体以及多相混合液体进行动态分离,并且它具有优异的抗污染和节能等性能,有望大幅延长膜材料的使用寿命,提高传统膜系统的普适性,这对膜科学与技术、微流控等多个交叉学科的发展带来了具有里程碑式的意义。因此,专家们认为这项新兴技术将在大规模过滤和分离过程中起到非常重要的作用。

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同时,液体门控技术被认为可以加速实现“联合国的可持续发展目标6”的计划,该计划旨在确保人人都能获得清洁用水和卫生设施;并且,液体门控技术不需要消耗电能,可以节约传统技术所需要的巨大能量消耗。侯旭教授课题组引领的液体门控技术的研究在许多其它的领域也得到了广泛的应用,比如化学传感检查,生物3D打印和微流控芯片等。尽管液体门控技术是一项新兴技术,但已经被认为是有望迅速扩大规模,并被国际化工的龙头企业所采用的变革性技术。

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未来化学的可持续发展

此外,今年的世界正面临前所未有的挑战新冠病毒疫情无疑在全球范围内给人类社会带来了深远的影响。在这场全球新冠病毒的抗争中,化学家们扮演着关键的角色,从肥皂、清水到测试、新药物,化学将是战胜这一威胁的重要武器。所以“快速诊断测试”、“核糖核酸疫苗”技术也入选到2020年“化学领域十大新兴技术”。

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化学为人类提供了一套无限的工具,来重塑世界,使之成为一个更安全、更可持续的未来。从设计更有效的测试方法到开发成功的治疗方法,化学将是应对当前COVID-19大流行的核心。COVID-19大流行是人类社会在过去几十年里面临的最困难的挑战之一。此外,人类在阻止冠状病毒的传播并为有需要的人提供医疗服务的同时,必须谨记即将出现的其他威胁,如污染、气候变化和循环经济等。化学科学的创新对于实现联合国制定的可持续发展目标(SDG)中的大多数目标至关重要,这些目标旨在促进繁荣,同时保护地球。这与IUPAC的主要使命完全一致,即为人类和世界的最大利益应用和传播化学知识。这个新版本的十大新兴化学技术保持了同样的精神,促进化学保护社会和人类的地球的基本作用。

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