在近日舉行的第四屆世界科技與發(fā)展論壇閉幕式上，國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)執(zhí)委會委員、中國化學會副理事長帥志剛發(fā)布了2022年度IUPAC化學領域十大新興技術。這十大新興技術中包括了多項由中國化學家領銜的研究項目，如中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士團隊領銜的納米酶、陜西師范大學房喻院士團隊領銜的薄膜熒光傳感器、中國科學院大連化物所李燦院士團隊領銜的液態(tài)太陽燃料、復旦大學彭慧勝教授團隊領銜的纖維電池和織物顯示器。
納米酶：疾病診療的新手段
納米酶是一種神奇的納米材料。它具備天然酶的屬性，能在溫和條件下高效催化酶的底物，產生與天然酶相同的反應產物，并可作為酶的替代品調節(jié)細胞代謝，用于疾病的診斷和治療。與天然酶只能在特定溫度和pH值范圍內工作不同，納米酶可以承受惡劣條件，并可實現(xiàn)持久、安全和穩(wěn)定的存儲。
納米酶是閻錫蘊團隊于2007年在國際上首次發(fā)表并命名的。國際同行認為，這是酶學史上一個里程碑式的事件?？梢哉f，納米酶的發(fā)現(xiàn)，模糊了無機材料與有機生物的界限，促進了納米科學與醫(yī)學的交融。
閻錫蘊團隊長期致力于納米酶的機制及應用研究，并發(fā)展多項基于納米酶的新技術。他們設計并研發(fā)出用于疾病診斷的納米酶試紙條，成為全球首個納米酶新產品；通過創(chuàng)制多酶活性納米酶，利用腫瘤微環(huán)境啟動過氧化物酶活性催化產生活性氧殺死腫瘤細胞，探索納米酶催化治療新策略。其納米酶應用的相關研究成果先后獲得國家自然科學二等獎和Atlas國際獎。目前，全球有29個國家的290個實驗室從事300余種納米酶研究，應用研究涉及生物、醫(yī)學、農業(yè)、環(huán)境治理等，形成了一個新的研究領域。
薄膜熒光傳感器：高效靈敏的檢測設備
薄膜熒光傳感因其優(yōu)異的靈敏度、選擇性、可調性與普適性等特征被認為是繼離子遷移譜之后最具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒑哿课镔|探測技術。在對應的器件中，具有熒光活性的分子通常被固定于尺寸可小至1厘米以下合適的基質上，形成具有對外界刺激快速可逆響應的2D或3D薄膜材料，發(fā)揮著對微痕量物質的高效探測功能。該類熒光傳感器具有尺寸小、功耗低和操作簡單等優(yōu)點，在便攜式傳感器的創(chuàng)制方面具有突出優(yōu)勢。
自1998年以來，房喻團隊針對熒光傳感技術中薄膜熒光傳感易受環(huán)境因素干擾，選擇性和靈敏度等難以滿足特殊檢測需要等難題，開展了深入全面的研究工作。目前，房喻團隊已將薄膜熒光傳感器用于高效檢測爆炸物(三硝基甲苯)，大氣污染物(氨類化合物、氮氧化物、有機揮發(fā)物)，以及殺蟲劑、神經毒劑、尼古丁、病原體等，并創(chuàng)造了迄今響應速度最快、靈敏度最高的爆炸物與毒品類薄膜熒光探測紀錄。房喻團隊首創(chuàng)的毒品薄膜熒光傳感器和探測裝備也開始獲得應用。涉及神經毒劑、病原體等高危物質超靈敏探測的薄膜熒光傳感器和裝備研制也在有序推進中。
液態(tài)太陽燃料：瓶裝的可再生能源
植物通過光合作用將二氧化碳和太陽能轉化為葡萄糖。同樣化學家通過創(chuàng)制“人工光合作用”模擬這一過程。液態(tài)太陽燃料技術就是這樣一種模擬自然光合作用的人工光合成技術，利用太陽能、水和二氧化碳生產甲醇等富含能量物質，有望替代當下的化石衍生燃料。此外，液態(tài)太陽燃料同電池一樣，可提供間歇性可再生能源儲存的新機會。液態(tài)太陽燃料技術也因此被認為是“瓶裝可再生能源”和生產綠色化學品的戰(zhàn)略。
太陽燃料示范工廠已開始在世界各地出現(xiàn)，美國、歐洲和亞洲的投資機構都在推動在該技術領域的合作。2019年，李燦團隊與蘭州新區(qū)石化產業(yè)投資集團合作，在蘭州新區(qū)啟動了國內第一個太陽燃料生產示范工程——二氧化碳加氫合成甲醇技術開發(fā)項目。2020年1月，項目首次試車成功并生產出60%的粗甲醇，邁出了液態(tài)太陽燃料工業(yè)化生產第一步。液態(tài)太陽燃料合成項目被列入中國科學院2020年一季度重大科技成果轉化亮點工作，榮獲2021年度中國可再生能源學會科學技術發(fā)明一等獎和首屆香港TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽金獎。
纖維電池：可穿戴設備的新選擇
纖維電池的結構與傳統(tǒng)電池完全不同，呈現(xiàn)出近乎一維的設計，具有柔軟、穩(wěn)定、安全等優(yōu)勢。此外，由纖維電池編織得到的電池“織物”可適應多種不同變形和應用，更適合應用于可穿戴電子設備。
在電子器件都朝著微型化、柔性化、集成化方向發(fā)展時，學界主流的研究方向是薄膜，纖維電池卻鮮有問津。很多科學家認為，纖維電池的內阻隨長度增加而增大，無法實現(xiàn)電池高性能化和大規(guī)模應用。彭慧勝團隊在多年研究中發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池內阻與長度之間具有獨特的雙曲余切函數(shù)關系，即內阻隨長度增加并不增大，反而先下降后趨于穩(wěn)定。
在此理論指導下，該團隊構建的纖維鋰離子電池具有優(yōu)異且穩(wěn)定的電化學性能，能量密度較過去提升了近2個數(shù)量級，彎折10萬次后容量保持率超過80%。該團隊還實現(xiàn)了纖維電池的規(guī)?；B續(xù)生產，建立了世界上首條纖維鋰離子電池生產線。其生產的纖維鋰離子電池系統(tǒng)，電化學性能與商業(yè)鋰離子電池相當，而穩(wěn)定性和安全性更加優(yōu)異。
三星和華為等公司也在研究纖維電池的應用潛力，其市場規(guī)模將隨著可穿戴設備和印刷電子產品等產業(yè)的發(fā)展而增長。
織物顯示器：穿在身上的顯示器
隨著高速通信和連接設備的興起，研究人員開始在織物顯示領域進行探索。這類器件將變革電子產品以及交互方式，并催生新一代可穿戴電子設備和智能紡織品的商業(yè)化。
在傳統(tǒng)方法中，可穿戴設備依賴于貼在織物和紡織品表面的薄膜顯示屏進行顯示。而織物顯示器件的方法與之完全不同，直接將能夠發(fā)光的纖維編織成柔軟的織物顯示器。彭慧勝團隊研制出兩種功能纖維——負載有發(fā)光活性材料的高分子復合纖維和透明導電的高分子凝膠纖維，通過兩者在編織過程中的經緯交織，形成電致發(fā)光單元，并通過有效的電路控制制備出新型柔性顯示織物。
與傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件相比，織物顯示器發(fā)光纖維的直徑可在0.2~0.5毫米精確調控，使其具有超細超柔的特性。以此編織而成的衣物，能緊貼人體不規(guī)則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。
研究人員正在研究規(guī)模化制備織物顯示器的可能性。雖然其應用目前主要聚焦在可穿戴設備領域，但未來大面積織物顯示屏有望應用于家居、廣告宣傳等。（陳菲）
轉自：中國化工報
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