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納米農藥居十大化學新興技術之首

更新時間:2019-10-12 點擊量:638

2019年是化學領域非常特殊的一年,是International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)成立100周年,以及門捷列夫首次發表元素周期表150周年。IUPAC是一個全球性的組織,為科學研究、教育和貿易建立了一種共同的化學語言;門捷列夫的元素周期表對當時已知的所有元素進行了分類,甚至還預測了一些元素的存在,而這些元素數年后才被發現。IUPAC在發展現代元素周期表方面發揮了重要作用,它確保每個人都能得到最權威的元素周期表,為新發現的元素建立名稱和符號,并通過IUPAC委員會不斷檢查同位素豐度和原子質量的準確性。

 

我們可以慶祝事情還有很多。100多年前,弗里茨·哈伯獲得了諾貝爾獎,這位德國化學家只用空氣就創造出了廉價的氮肥,這一發展最終引發了20世紀的人口大爆炸。2019年也是安托萬·拉瓦錫的《理想的元素》(Traite Elementaire de Chimie)首次出版230周年,許多人認為這是第一本現代化學教科書。化學地標無處不在,因為化學無處不在——化學是連接物理科學與生命和應用科學的中心科學。

 

尋找科學史上的里程碑并不難,真正具有挑戰性的是確定那些最終將成為21世紀重大化學突破的發現。在每天發表的成千上萬篇化學論文和專利中,哪一項將真正為一個更可持續的未來做出貢獻

 

因此,IUPAC在慶祝過去的同時,也在展望未來。“化學十大新興技術”是為了更廣泛地宣傳化學和相關科學的基本價值,并確定有可能改變我們對世界的發現。

 

在這篇文章中IUPAC招募的專家從全球化學家提交的候選名單中選出了“化學十大新興化學技術”。以下是化學科學的新進展,徘徊在實驗室的萌芽階段和工業應用之間。當然,在不久的將來,我們將回顧這些創新技術,并慶祝它們如何改變了我們生活的世界。

 

1  納米農藥

世界人口持續增長。一些預測顯示,到2050年,人口數量將接近100億。養活這么多人需要大量增加農業生產,同時保持作物的可持續性,包括降低土地使用對環境的影響、減少需水量、減少化肥或農藥等農用化學品的污染。同時,納米技術也吸引了制藥和醫療行業以外的大量關注。量身定制的納米傳遞系統也可能成為農民的一個偉大工具,因為它最終能夠幫助農民解決傳統農藥的主要問題,如環境污染、生物積累和害蟲抗性等。很少有出版物仔細分析所謂的“納米農藥”相對于傳統替代品的好處和風險。而在大多數情況下,納米農藥的效果并沒有顯著提升。但是在一些研究中人們發現,在實驗室條件下,其效果提高了一個數量級。我們仍然需要對納米農藥在田間條件下的有效性進行適當的評估。這也是一些公司仍然在研究他們應用潛力的原因,希望證明這項技術仍然有希望。加拿大的Vive Crop可能是最好的例子,它銷售的產品比非納米的商業替代品表現出更好的吸收性和更小的環境影響。而且,這家公司最近還獲得了美國環保部門的批準,將各種納米封裝的殺蟲劑和殺菌劑商業化。對于未來成功的、更可持續的新型農業來說,納米技術可能不是唯一的組成部分,但它肯定會引導并生產出對環境和人類健康影響更小的更復雜的農用化學品。

 

2  對映選擇性有機催化

化學家總是受到大自然的啟發。幾年前,研究人員曾夢想發明一種新型催化劑,這種催化劑與大多數天然酶一樣,不需要使用昂貴的金屬,于是有機催化”于20世紀90年代末誕生。領域內權威專家之一Paolo Melchiorre解釋道:“有機催化的成功是因為它很民主,不需要昂貴的試劑或手套箱,每個人都可以制備,這也讓很多年輕的研究人員開始他們的獨立事業,并迅速成立國際專家協會,為非金屬催化提供更多的思路”。

 

一開始,一些化學家批評有機催化并不像它所宣稱的那樣環保,它需要高催化劑負載,而且催化劑在反應后很難回收,似乎與催化的定義背道而馳。Melchiorre指出有機催化的最初重點是“開發新方法,而不是降低催化劑的負載”。

 

盡管如此,化學家們也了解降低催化劑數量可能會產生的工業影響,于是他們精心設計了手性碳-碳鍵的方法,將有機催化劑的用量降低到百萬分之一。雖然這仍無法與金屬相比,但成本要低得多。

 

化學家們也開發出了更好地回收催化劑的方法,如Ben List將催化劑固定在像尼龍這樣的固體基質上。Melchiorre還強調了有機催化是如何在化學領域播下種子,并最終擴展到其他領域,特別是光氧化還原催化領域。他還說道:“MacMillan建立了兩個領域之間的聯系。比如光活化使醛與烯胺發生烷基化反應,這是傳統的有機催化方法所不能實現的。”有機催化也催生許多其他領域的出現,現在工業已經擴大了通過不對稱有機催化合成精細化學品和藥物的嘗試。

 

3  固態電池

固態電池早在19世紀就被先驅化學家Michael Faraday設想出來了。然而,它們的發展直到最近才成為現實。現在,博世、戴森、豐田和英特爾等多個行業的重要企業都在這項技術上投資了數十億美元。鋰離子電池的共同發明人之一John Goodenough推出了一種以二氧化硅為電解質的電池,使得固態電池比以往任何時候都更接近市場。與我們的智能手機、平板電腦和筆記本電腦使用的鋰離子電池相比,固態電池更輕,能儲存更多的能量,在高溫下性能更好。此外,與鋰離子技術中使用的電解液不同,固態電解液不易燃,因此能夠避免自發火災和爆炸,比如幾年前三星Galaxy Note 7發布時發生的火災。然而,這項新技術仍然非常昂貴。

 

對于許多其他應用,聚合物可能是最好和最經濟的解決方案。法國Bollore公司已經開始制造和商業化基于聚合物的固態電池,這些固態電池主要用于網絡連接傳感器。根據聚合物專家Tanja Junkers的說法,“電荷轉移聚合物真的很吸引人,我們只是看到了未來可能的開端。”但是目前還有很多研究要做,因為固態電池組件緊密結合在一起,我們很難理解每一個組件是如何發揮作用的。

 

學術界和工業界的研究人員正密切合作,開發更好的無損操作技術——電子顯微鏡和核磁共振以了解固態電池的工作原理。對于大多數應用來說,這項技術還需要幾年的發展。

 

 

4  流動化學

化學是實現某些聯合國可持續發展目標(United Nations Sustainable Development Goals;SDGs)的關鍵,SDGs為所有人在2030年前實現更美好、更可持續的未來提供藍圖。其中,流動化學(即反應是在連續流動的流體中進行的,而不是分批進行的)對于解決SDG 12(可靠的消費和生產)尤為關鍵。流動化學過程最終降低了處理有害物質的風險,提高產率,既防止了危害,又降低了環境影響。雖然有些人認為流動化學處于非常早期的實驗室小規模階段,但高效的工業應用已經越來越普遍。

 

早在2015年,麻省理工學院(MIT)的化學家們就展示了流動化學的潛力,可以創造出傳統批量技術無法實現的定制聚合物。據專家介紹,流動化學制備過程更快、更簡單、更可靠,與SDGs相一致。

 

最近的案例甚至展現出流動化學在抵御有機鋰化合物等危險試劑方面的潛力。Merck公司的化學家們成功地合成了一種100公斤級的用于治療第三階段阿爾茨海默癥的候選藥物verubecestat的前體。其他的例子包括環丙沙星(一種基本抗生素)的流動化學合成,以及由Pfizer公司開發的自動流體系統。這種系統每天能夠分析多達1 500種反應條件,加速發現新藥和現有藥物的最佳合成路線。

 

5  反應擠出

與流動化學一起出現的是反應擠出,這是一種允許化學反應在完全無溶劑條件下發生的技術。由于消除了潛在的有毒溶劑的使用,這一過程十分環境友好。同時它也帶來了許多工程上的挑戰,因為它需要對現有的工業流程進行徹底的重新設計。雖然擠出過程已被聚合物和材料領域的專家廣泛使用研究,但直到現在,其他領域化學家們才開始挖掘他們在制備有機化合物方面的可能性。經典的擠出方法為在球磨機中研磨試劑,但更先進的使用螺絲的擠出技術甚至可以允許這些無溶劑反應在流動裝置中進行。同樣的,系統的有效調整和規模化生產是這一技術發展的阻礙。在實驗室里,化學家們已經用球磨機制備了幾種有吸引力的產品——氨基酸、腙、硝基和肽,并且已經實現了一些非常經典的有機反應(如鈴木偶聯和點擊化學),但是除了聚合物,在反應擠出條件下的例子仍然很難找到。然而,案例越是缺乏,希望越是巨大。Biotech公司報道了具有治療慢性疼痛潛力的共晶的優化合成,這也是將機械化學合成規模擴大到幾百克的第一個例子。此外,在英國,科學家已經利用反應擠出有效地制備了深共晶溶劑,這是一類離子液體,可能成為新一代的綠色、不易燃溶劑。前面的兩個例子都涉及分子內相互作用的形成,但沒有涉及新的共價鍵的形成。然而,化學家最近報道了通過螺旋擠壓形成的金屬有機框架(MOFs)和離散金屬配合物,打開了通向更清潔和更可持續的無溶劑化學的大門。

 

6  MOFs和用于集水的多孔材料

根據聯合國(UN)的數據顯示,水資源短缺影響了全球40%以上的人口,而且預計受影響人口數量還會增加。此外,3/10的人無法獲得安全管理的飲用水服務。化學可以解決這個問題,即SDG 6(清潔飲水與衛生設施)利用多孔材料,特別是金屬有機框架(MOFs),改變我們的世界。

 

 

多孔材料(如MOFs)具有海綿狀的化學結構,其微小空間可以選擇性地捕獲分子,從氣體(氫、甲烷、二氧化碳、水)到更復雜的物質,如藥物和酶。當一些研究人員專注于MOFs在藥物傳遞和氣體凈化中的應用時,Omar Yaghi偶然發現了它們從大氣中捕獲水分的巨大潛力。Yaghi解釋說:“當我們研究燃燒后的氣體被MOFs捕獲的行為時,注意到一些MOFs表現出與水分子獨特的相互作用。” 然后,他們想知道是否相同的材料能夠被用來在干旱氣候條件下從大氣中捕獲水分,然后再將水分釋放并收集。Yaghi說:“這項技術是獨一無二的,因為它可以從干燥的沙漠空氣中獲取足夠飲用量的純凈水,除了自然光以外,不需要任何其他能源。”在濕度低至20%的情況下,一公斤的MOFs每天可以收獲2.8升水。在開發更大容量、可能更便宜的集水材料的同時,Yaghi已經與一些公司合作,在工業規模上測試他們的MOFs水收集材料。還有其他具有類似能力的多孔材料(如硅基和無機多孔固體),以及最近報道的模擬仙人掌刺結構的仿生多孔表面。Yaghi認為,它們中的大多數在低濕度空氣中吸收水分方面不如MOFs有效。進一步的研究當然可以探索所有的可能性,并找到最佳的解決方案,不僅是收集水,還包括凈化水,以確保實現聯合國最重要的目標之一——為所有人實現充分和公平的清潔衛生。

 

7  選擇性酶的定向進化

酶的直接進化獲得了2018年諾貝爾化學獎。通過定向進化產生的酶可被用于制造從生物燃料到藥品的一切東西。諾貝爾委員會稱,2018年諾貝爾獎得主化學家FrancesH. Arnold已經控制了進化,并將其用于為人類帶來最大利益。

 

通過先進的計算方法研究酶的Silvia Osuna解釋說:“定向進化需要對成千上萬種變異進行實驗測試,最終提供高活性的酶。”她相信,活性最高的酶通過合理設計產生,但與自然酶和實驗室人工合成的酶相比,活性仍然較差。根據Osuna的說法,關于定向進化最有趣的事實是,遠離酶活性位點的突變如何對酶催化活性產生巨大影響

 

只有通過分析人工進化的酶,我們才能了解這一點。在她的領域,通過計算來研究酶,可能是發現類似趨勢的關鍵,從而更好地理解定向進化。她總結道:“計算是眾多工具之一,與蛋白質先進工程、基因合成、序列分析和生物信息學一起,將幫助化學家建立一個更有針對性的酶庫。”

 

定向進化的極限尚未被發現。在她最近的論文中,Arnold使用定向進化“破解”了植物酶細胞色素P450。現在,它們可以很容易地催化碳氫鍵轉變成更復雜的不對稱碳碳鍵。

 

8  從塑料到單體

Tanja Junkers說:“循環經濟當然是我們的目標”。化學家應該再一次從大自然中獲得靈感。在自然界中,所有東西都被重復利用,對合成材料,我們應該也這樣做。這一策略將一舉兩得,從長遠來看,它將解決可回收利用的問題,并為主要(聚合物)構建單元尋找合適來源。

 

有些聚合物,如聚乳酸(PLA),只需加熱就可以很容易地回收成單體。其他聚合物,如聚乙烯對苯二甲酸酯(PET),同樣可以分解成它們最基本的單位。首先,用乙二醇處理聚合物,將長鏈聚合物分解成低聚物。這些小碎片在較低的溫度下熔化,因此可以通過過濾除去雜質。然后,一旦物質被提純,它就可以被完全分解成單體,然后再通過蒸餾提純。

 

除了經典化學之外,就像Arnold之前提到的酶轉化方法一樣,一些細菌經過進化已經可以把PET分解成碎片。當塑料是唯一的碳來源,細菌想要生存就必須適應。至少有一種Nocardia包含一種可以破壞PET中酯鍵的酯酶。最近,日本研究人員發現了一種名為Ideonella sakaiensis的細菌,它可以在六周內分解PET塑料薄膜,這要歸功于兩種不同的酶。然而,Junkers說:“回收是昂貴的,而且塑料世界的利潤非常小,每一分錢都很重要。”化學家們正在尋找更便宜的方法來實現循環經濟。此外,隨著石油變得不那么豐富,塑料的價格將緩慢上漲。但是,除此之外,我們必須提高意識,清潔塑料可能更貴,但更值得。Junkers總結道:“社會必須愿意為更可持續的選擇支付更高的價格”。

 

9  自由基聚合的可逆失活

自由基聚合的可逆失活(reversible-deactivation of radical polymerization;RDRP)是20多年前發明的,它徹底改變了聚合物的世界。Junkers說:“這些方法都依賴于對幾乎不可控的連鎖反應施加控制的機制,這使我們能夠以接近自然的精度設計聚合物。”RDRP聚合物在建筑、印刷、能源、汽車、航空航天和生物醫學設備等眾多領域都有應用。“大多數時候,我們在使用這些聚合物時并沒有意識到這一點”Junkers說:“RDRP已經成為工業化學家非常強大和有用的工具。”

 

RDRP目前仍有很大的創新空間,特別是在尋找更環保的聚合方法方面。現在有很多方法來控制RDRP過程,甚至不需要使用金屬,只使用光。最近,化學家們也在發展可用于流體系統的RDRP,發展更環保的合成聚合物和塑料的方法。

 

最后,化學家還掌握了在水介質中進行聚合的過程,避免使用揮發性或危險溶劑。最新的進展表示,他們能夠在幾分鐘內在水中獲得超高分子量的聚合物,同時保持對聚合物的精細控制。其中一些工作可以在非常低能量的光源下進行,甚至在某些情況下陽光就足矣。盡管這是一種成熟的技術,但我們可以肯定RDRP將繼續創新,取得更廣泛的商業成功。

 

10  生物3D打印

生物打印是當今最有前途的技術之一。利用3D打印機和由活細胞、生物材料、生長因子制成的3D打印墨水,化學家和生物學家已經成功地制造出與天然組織和器官幾乎沒有區別的人造組織和器官。3D生物打印技術可能會給診斷和治療帶來革命性的變化,因為人造組織和器官可以用于藥物篩選和毒理學研究。這項技術甚至可以不需要捐獻者的理想移植組織和器官。目前,科學家已經能夠3D打印管狀組織(心臟、尿道、血管)、粘性器官(胰腺)和固體系統(骨骼)。最近,劍橋大學的研究人員甚至成功地用3D打印技術打印出了一個視網膜,他們仔細地將不同類型的活細胞一層層地沉積下來,得到視網膜。

 

 

化學在這個非常復雜的過程的所有步驟中起著中心作用。首先,器官和組織需要被“掃描”,以便有一個計算模型。這是通過計算機斷層掃描(CT)和磁共振成像(MRI)等技術完成的,這兩種技術通常都需要化學造影劑,如釓染料。然后,生物打印本身需要大量的化學物質來穩定生物墨水,觸發細胞的組裝,或者作為打印組織的支架。

 

最后,3D生物打印的物體需要隨著時間的推移保持其結構和形式,這一過程需要物理和化學刺激。此外,就像任何移植或手術一樣,人體總是有排斥打印組織的風險。了解細胞-細胞識別的化學過程主要由包裹細胞膜的糖脂和糖蛋白決定的這一事實是減少排異反應的關鍵。對于高度復雜的3D生物打印技術,化學在所有交叉學科的中心,是這一邊緣技術進一步發展的關鍵。據一些專家所說,3D生物打印技術甚至可以制造出比現有生物器官更好的新器官。

 

“化學十大新興技術”,不僅慶祝了IUPAC成立100周年,也展望了化學的未來。每一項進步都具有巨大的潛力,可確保我們社會的福祉和地球的可持續性。因此,IUPAC將在未來的化學國際版面中繼續展示這些新興的化學、材料和工程技術。其目標是促進和突出化學在我們日常生活中無處不在的貢獻,激勵新一代年輕科學家勇敢地迎接我們面臨的挑戰,使他們能夠通過研究、創業和創造力找到解決辦法。

 

化學創新將推動實現可持續發展目標的變革,并最終完成IUPAC的使命:應用和傳播化學知識,為人類和世界帶來最大的利益。



來源:高分子科學前沿

tag: 化學  新興技術  納米農藥  有機催化  新興技術  

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