2022化学领域十大新兴技术发布 中国化学家领衔研究占五席

  在近日举行的第四届世界科学技术与发展论坛闭幕式上，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)执委会委员、中国化学会副理事长帅志刚发布了2022年度IUPAC化学领域十大新兴技术。这十大新兴技术中包括了多项由中国化学家领衔的研究项目，如中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士团队领衔的纳米酶、陕西师范大学房喻院士团队领衔的薄膜荧光传感器、中国科学院大连化物所李灿院士团队领衔的液态太阳燃料、复旦大学彭慧胜教授团队领衔的纤维电池和织物显示器。

  纳米酶是一种神奇的纳米材料。它具备天然酶的属性，能在温和条件下高效催化酶的底物，产生与天然酶相同的反应产物，并可作为酶的替代品调节细胞代谢，用于疾病的诊断和治疗。与天然酶只能在特定温度和pH值范围内工作不同，纳米酶能承受恶劣条件，并可实现持久、安全和稳定的存储。

  纳米酶是阎锡蕴团队于2007年在国际上首次发表并命名的。国际同行认为，这是酶学史上一个里程碑式的事件。可以说，纳米酶的发现，模糊了无机材料与有机生物的界限，促进了纳米科学与医学的交融。

  阎锡蕴团队长期致力于纳米酶的机制及应用研究，并发展多项基于纳米酶的新技术。他们设计并研发出用于疾病诊断的纳米酶试纸条，成为全世界首个纳米酶新产品;通过创制多酶活性纳米酶，利用肿瘤微环境启动过氧化物酶活性催化产生活性氧杀死肿瘤细胞，探索纳米酶催化治疗新策略。其纳米酶应用的相关研究成果先后获得国家自然科学二等奖和Atlas国际奖。目前，全球有29个国家的290个实验室从事300余种纳米酶研究，应用研究涉及生物、医学、农业、环境治理等，形成了一个新的研究领域。

  薄膜荧光传感因其优异的灵敏度、选择性、可调性与普适性等特征被认为是继离子迁移谱之后最具发展的潜在能力的微痕量物质探测技术。在对应的器件中，具有荧光活性的分子通常被固定于尺寸可小至1厘米以下合适的基质上，形成具有对外界刺激快速可逆响应的2D或3D薄膜材料，发挥着对微痕量物质的高效探测功能。该类荧光传感器具有尺寸小、功耗低和简单易操作等优点，在便携式传感器的创制方面具有突出优势。

  自1998年以来，房喻团队针对荧光传感技术中薄膜荧光传感易受外因干扰，选择性和灵敏度等难以满足特殊检测需要等难题，开展了深入全面的研究工作。目前，房喻团队已将薄膜荧光传感器用于高效检测爆炸物()，大气污染物(氨类化合物、氮氧化物、有机挥发物)，以及杀虫剂、神经毒剂、尼古丁、病原体等，并创造了迄今响应速度最快、灵敏度最高的爆炸物与毒品类薄膜荧光探测纪录。房喻团队首创的毒品薄膜荧光传感器和探测装备也开始获得应用。涉及神经毒剂、病原体等高危物质超灵敏探测的薄膜荧光传感器和装备研制也在有序推进中。

  植物通过光合作用将二氧化碳和太阳能转化为葡萄糖。同样化学家通过创制“人工光合作用”模拟这一过程。液态太阳燃料技术就是这样一种模拟自然光合作用的人工光合成技术，利用太阳能、水和二氧化碳生产甲醇等富含能量物质，有望替代当下的化石衍生燃料。此外，液态太阳燃料同电池一样，可提供间歇性可再次生产的能源储存的新机会。液态太阳燃料技术也因此被认为是“瓶装可再次生产的能源”和生产绿色化学品的战略。

  太阳燃料示范工厂已开始在世界各地出现，美国、欧洲和亚洲的投资机构都在推动在该技术领域的合作。2019年，李灿团队与兰州新区石化产业投资集团合作，在兰州新区启动了国内第一个太阳燃料生产示范工程——二氧化碳加氢合成甲醇技术开发项目。2020年1月，项目首次试车成功并生产出60%的粗甲醇，迈出了液态太阳燃料工业化生产第一步。液态太阳燃料合成项目被列入中国科学院2020年一季度重大科学技术成果转化亮点工作，荣获2021年度中国可再次生产的能源学会科学技术发明一等奖和首届香港TERA-Award智慧能源创新大赛金奖。

  纤维电池的结构与传统电池完全不同，呈现出近乎一维的设计，具有柔软、稳定、安全等优势。此外，由纤维电池编织得到的电池“织物”可适应多种不同变形和应用，更适合应用于可穿戴电子设备。

  在电子器件都朝着微型化、柔性化、集成化方向发展时，学界主流的研究方向是薄膜，纤维电池却鲜有问津。很多科学家认为，纤维电池的内阻随长度增加而增大，没办法实现电池高性能化和大规模应用。彭慧胜团队在多年研究中发现纤维锂离子电池内阻与长度之间具有独特的双曲余切函数关系，即内阻随长度增加并不增大，反而先下降后趋于稳定。

  在此理论指导下，该团队构建的纤维锂离子电池具备优秀能力且稳定的电化学性能，单位体积内的包含的能量较过去提升了近2个数量级，弯折10万次后容量保持率超过80%。该团队还实现了纤维电池的规模化连续生产，建立了世界上首条纤维锂离子电池生产线。其生产的纤维锂离子电池系统，电化学性能与商业锂离子电池相当，而稳定性和安全性更加优异。

  三星和华为等公司也在研究纤维电池的应用潜力，其市场规模将随着可穿戴设备和印刷电子科技类产品等产业的发展而增长。

  随着高速通信和连接设备的兴起，研究人员开始在织物显示领域进行探索。这类器件将变革电子科技类产品以及交互方式，并催生新一代可穿戴电子设备和智能纺织品的商业化。

  在传统方法中，可穿戴设备依赖于贴在织物和纺织品表面的薄膜显示屏进行显示。而织物显示器件的方法与之完全不同，直接将能够发光的纤维编织成柔软的织物显示器。彭慧胜团队研制出两种功能纤维——负载有发光活性材料的高分子复合纤维和透明导电的高分子凝胶纤维，通过两者在编织过程中的经纬交织，形成电致发光单元，并通过有效的电路控制制备出新型柔性显示织物。

  与传统的平板发光器件相比，织物显示器发光纤维的直径可在0.2~0.5毫米精确调控，使其具有超细超柔的特性。以此编织而成的衣物，能紧贴人体不规则轮廓，像普通织物一样轻薄透气，确保良好的穿着舒适度。

  研究人员正在研究规模化制备织物显示器的可能性。虽然其应用目前主要聚焦在可穿戴设备领域，但未来大面积织物显示屏有望应用于家居、广告宣传等。（中国化工报 陈菲）