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(chǎn)生與天然酶相同的反應產(chǎn)物，并可作為酶的替代品調(diào)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)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(diào)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|(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jīng)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(jīng)毒劑、病原體等高危物質(zhì)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(zhuǎn)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(chǎn)甲醇等富含能量物質(zhì)，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(chǎn)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(chǎn)業(yè)投資集團合作，在蘭州新區(qū)啟動了國內(nèi)第一個太陽燃料生產(chǎn)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(chǎn)出60%的粗甲醇，邁出了液態(tài)太陽燃料工業(yè)化生產(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(nèi)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(nèi)阻與長度之間具有獨特的雙曲余切函數(shù)關系，即內(nèi)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(chǎn)，建立了世界上首條纖維鋰離子電池生產(chǎn)線。其生產(chǎn)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(chǎn)品等產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(diào)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(zhuǎn)自：中國化工報
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