1. 納米殺蟲劑

民以食為天。世界人口不斷增長的背景下，農(nóng)業(yè)安全顯得格外重要。有預測表明到2050年，地球上將生活近100億人口。為了增加農(nóng)作物產(chǎn)量，同時最大限度地減少土地利用對環(huán)境造成的破壞，新型殺蟲劑的發(fā)展勢在必行?；馃岬募{米技術在這方面有可能大有作為。相比于傳統(tǒng)的殺蟲劑，納米材料包封的殺蟲劑在提高藥效的同時，更有針對性。以更小的用量達到殺死害蟲的目的，并且不會傷害其他動植物或人類。目前一些納米殺蟲劑在實驗室中表現(xiàn)良好，但仍需要更多田間試驗進一步評估。

加拿大Vive Crop公司是該領域的先行者，他們銷售的產(chǎn)品比傳統(tǒng)殺蟲劑具有更好的吸收性和更少的環(huán)境影響。此外，該公司最近還獲得了美國環(huán)境保護局的批準，將各種納米包封的殺蟲劑和殺菌劑商業(yè)化。

2. 對映選擇性有機催化

對于年輕的化學家，有機催化可能是個常見的概念，但其實它最早誕生于20世紀90年代后期，是一個年輕的研究方向。傳統(tǒng)的催化劑多為金屬，成本較高，尤其是貴金屬。而大自然則聰明得多，自然界的酶催化反應高效、環(huán)保，化學家很想學習一下，于是有機催化的概念應運而生。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，有機催化劑已經(jīng)有了長足的進步。不過仍然有化學家批評它用量大且難以回收，不夠“綠色”。誠然，從催化效率上來說，有機催化劑還無法與金屬催化劑媲美，但它的成本低得多；而且有機催化的反應類型也比金屬催化更為豐富，具有更大的發(fā)展空間。例如光氧化還原催化的引入，光活化使得醛類與烯胺的烷基化反應成為可能，這種反應不能用經(jīng)典的有機催化方法完成。一些高附加值的精細化工品和藥物的合成中已經(jīng)大量使用有機催化劑了。在回收方面，化學家也想出了不少好辦法。比如，將有機催化劑固定在穩(wěn)定的固體基質上，就像多肽固相合成，就能輕松實現(xiàn)催化劑的回收。

3. 固態(tài)電池

很多人小時候都拆過電池玩，干電池切開會流出黑乎乎的液體，其實是混了石墨的電解液。不管是干電池，還是鉛電、鋰電，主要都用液體電解質，統(tǒng)稱為液態(tài)電池。而固態(tài)電池則與之不同，使用固態(tài)電解質。早在19世紀，電化學先驅邁克爾-法拉第就提出了固態(tài)電池的概念，不過直到近年它才接近商業(yè)化。相比于液態(tài)電池，固態(tài)電池更輕、能量密度更高、不易燃更安全。如果我們的手機換上固態(tài)電池，會變得更輕薄，更耐用，而且不會出現(xiàn)某星產(chǎn)品那樣的爆炸事件。由于導電聚合物的發(fā)明，以聚合物作為電解質材料是目前最好和最經(jīng)濟的解決方案。

法國Bolloré公司已經(jīng)在制造和商業(yè)化基于聚合物的固態(tài)電池，它們主要用于網(wǎng)絡連接傳感器。此外，鋰離子電池的共同發(fā)明者John Goodenough最近也報道了一種使用玻璃作為電解質的電池。正是看中固態(tài)電池的諸多優(yōu)點和商業(yè)化潛力，博世、戴森、豐田、英特爾等多個行業(yè)的巨頭投資數(shù)十億美元進行研發(fā)。接下來固態(tài)電池的研發(fā)主要應該聚焦于降低成本和拓展應用場景，小氘相信固態(tài)電池廣泛使用已遙遙在望。

4. 流動化學

流動化學是指反應在不斷流動的體系中進行而不是批次化生產(chǎn)。與其他具體的化學創(chuàng)新不同，流動化學是一種策略或理念。流動化學能夠最大程度降低化學生產(chǎn)的風險，同時降低對環(huán)境的影響。2015年，麻省理工學院的化學家首次證明了流動化學的潛力，它可以創(chuàng)造出經(jīng)典方法難以實現(xiàn)的定制聚合物。

一些著名的制藥公司也搭建了流動化學設備，例如Merck公司利用流動化學實現(xiàn)了100千克規(guī)模的藥物前體合成；輝瑞公司開發(fā)的自動系統(tǒng)能夠每天分析多達1500個反應條件（點擊閱讀詳細），加速了藥物最佳合成路線的發(fā)現(xiàn)。相信更快、更簡單、更可靠的流動化學將改變合成工作的面貌。

5. 無溶劑反應

從學化學第一天起老師就讓我們記住溶劑、溶質、溶液的區(qū)別，誰成想還有不需要溶劑的反應。有機合成中，有毒、易揮發(fā)、易燃易爆的有機溶劑是一大危險來源，除了本身就是一種資源消耗外，反應完了去除有機溶劑也費時費力。無溶劑反應就是想把有機溶劑“踢出”反應條件。

目前化學家已經(jīng)成功得用研磨的方法制備出氨基酸、腙、硝酮、肽等物質，實現(xiàn)了經(jīng)典的鈴木偶聯(lián)反應、點擊化學等，安進公司更是實現(xiàn)了一種慢性疼痛藥物的無溶劑合成。不過成功的例子仍然很有限。離子液體、金屬有機骨架（MOF）可以幫助無溶劑反應的順利進行，也是熱門的研究領域。

6. 用于集水的MOF等多孔材料

除了糧食，水資源是另一個影響全球人口的基本資源。水資源在地球上分布極不平均，而人類可直接利用的水又僅限于液態(tài)淡水，這導致30%以上的人口無法獲得安全的飲用水。為了獲得更多淡水，化學家做了很多努力，MOF等多孔材料是其中非常有潛力的一項。像MOF這樣的多孔材料具有海綿狀化學結構，可以選擇性地捕獲氫氣、甲烷、二氧化碳、水甚至藥物分子和酶。Omar Yaghi偶然發(fā)現(xiàn)了它們從大氣中捕獲水的巨大潛力。MOF可以從干燥的沙漠空氣中獲取可飲用量的純凈水，除了自然陽光之外不需要額外能量。具體說來，只需一公斤的MOF就能在濕度低至20％的情況下每天收獲2.8升水（點擊閱讀詳細）。

目前這項技術已經(jīng)在進行商業(yè)化開發(fā)。

7. 選擇性酶的定向進化

2018年諾貝爾化學獎的一半授予了研究酶定向進化的科學家Frances H. Arnold教授（點擊閱讀詳細）。酶是天然的高效催化劑，但必須在合適的反應條件下才能發(fā)揮作用，且能夠催化的底物和反應相當有限。目前工業(yè)上使用的酶都是對天然酶的改造產(chǎn)物。酶的定向進化就是將自然界的酶向著工業(yè)所需的反應條件、底物、反應類型上改造。但酶的定向進化是非常困難和艱苦的工作，一個成功的高活性酶往往需要在大量變體中挑選出來。計算機技術、蛋白質工程的進步、基因合成、生物信息學等都能加速酶定向進化的速度。

8. 塑料降解

得益于化學家的努力和循環(huán)經(jīng)濟的深入人心，可降解塑料已經(jīng)不再少見。塑料降解，即從高分子聚合物分解為單體，可分為化學降解和生物降解兩種，聚乳酸（PLA）受熱降解為乳酸就是典型的化學降解過程。諾卡氏菌（Nocardia）可以破壞聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）中酯鍵的酯酶；而日本科學家發(fā)現(xiàn)的Ideonella sakaiensis可以在六周內(nèi)分解PET塑料薄膜（點擊閱讀詳細），都是典型的生物降解。海洋學家發(fā)現(xiàn)在人類可探測到的最深的海洋中都發(fā)現(xiàn)了微塑料碎片和小珠，并對生態(tài)環(huán)境造成了破壞。希望化學家能繼續(xù)開發(fā)更高效的塑料降解方法，降低塑料這一現(xiàn)代社會必需品對環(huán)境的影響。

9. 自由基聚合的可逆失活

自由基是一種反應活性極高的物質，自由基聚合非常難以控制，雖然它效率很高，但無法產(chǎn)生我們想要的產(chǎn)物。可逆失活自由基聚合（RDRP）已經(jīng)誕生二十多年，它徹底改變了聚合物的研究。這些方法對鏈式反應實施控制，使化學家能夠設計出并合成出更為復雜、精密的聚合物。RDRP聚合物已在建筑、印刷、能源、汽車、航空航天和生物醫(yī)學設備等多個領域發(fā)揮作用，我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的很多聚合物都得益于這項成熟的技術?，F(xiàn)在有許多方法只用光來控制RDRP過程，而不用金屬，這更加環(huán)保、節(jié)約。化學家們還掌握了在水中進行聚合反應，避免使用揮發(fā)性或有害溶劑?？梢姡幢闶且豁楊H為成熟的技術，也依舊不斷創(chuàng)新中。

10. 3D生物打印

生物打印是當今最有前途的技術之一。使用由活細胞、生物材料和生長因子制成的3D“打印機”和“墨水”，化學家和生物學家已經(jīng)設法制造出與其天然版本幾乎無法區(qū)分的人造組織和器官。3D生物打印可以徹底改變診斷和治療，因為人工組織和器官可以很容易地用于藥物篩選和毒理學研究。這項技術甚至能夠制造可供移植的組織和器官。目前，科學家們已經(jīng)可以對管狀組織（心臟、尿道、血管）、粘性器官（胰腺）和固體系統(tǒng)（骨骼）進行3D打?。c擊閱讀相關）。最近，劍橋研究人員甚至設法對視網(wǎng)膜進行三維打印，精確得沉積不同類型的活細胞層，以產(chǎn)生一種在結構上類似于原生眼組織的構造?；瘜W在3D生物打印中起到了關鍵作用：首先，掃描器官和組織的三維模型需要化學造影劑；其次，生物打印的材料，如細胞，需要化學物質穩(wěn)定、維持其活力；最后，3D生物打印的產(chǎn)品，也需要物理和化學方法來維持其結構、形狀以及功能。

IUPAC評選出的這十項化學創(chuàng)新著實兼具創(chuàng)新性和實用性，它們或已經(jīng)改變了某個領域的面貌，或即將一飛沖天，顛覆傳統(tǒng)。

改造世界，讓世界更美好是化學家不懈追求的使命，你在里面找到自己的研究方向了嗎？

參考資料：

Fernando Gomollón-Bel. Ten Chemical Innovations That Will Change Our World: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable. Chemistry International, 2019, DOI: 10.1515/ci-2019-0203

參考來源：https://www.degruyter.com/view/j/ci.2019.41.issue-2/ci-2019-0203/ci-2019-0203.xml