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十大化学创新将改变我们的世界
发布者:admin发布时间:2020-03-16 13:34:26

2019年是化学领域非常特殊的一年。2019年是两个主要的周年纪念日:国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)成立100周年,以及迪米特里·门捷列夫(Dimitri Mendeleev)在元素周期表上的第一本出版物150周年[ 1]。IUPAC是一家全球性组织,除其他外,它建立了一种化学通用语言-支持科学研究,教育和贸易。门捷列夫的系统以类似的方式对当时已知的所有元素进行分类,甚至预测了几年后才发现的元素的存在。这两个周年纪念紧密相连,因为IUPAC通过确保所有人都可以使用最权威的表[ 2 ],为新发现的元素建立名称和符号,在现代元素周期表的开发中发挥了重要作用。通过IUPAC同位素丰度和原子量委员会不断审查其准确性。

这是两个主要的科学周年。但是我们可以庆祝许多其他事情。一百多年前,弗里茨·哈伯(Fritz Haber)获得了诺贝尔奖[ 3 ]。这个德国化学家从创造什么,但空气便宜的氮肥,发展,最终引爆了20个巨大的人口爆炸个世纪。2019也标志着230 个安托万拉瓦锡的TRAITElementaire德Chimie公司的原始出版物的周年纪念日,被许多人认为是第一个现代的化学教科书中。化学地标无处不在,因为化学无处不在-化学是将物理学科与生命科学和应用科学联系起来的中心科学。

在科学史上寻找地标并不困难。真正具有挑战性的是确定最终将成为21世纪化学重大突破的发现。在每天发表的成千上万的化学论文和专利中,这真的有助于实现更可持续的未来吗?

因此,IUPAC在庆祝过去的同时,还通过这项新计划展望未来:“化学十大新兴技术”旨在更广泛地推广化学和相关科学的基本价值并发现新发现有可能改变我们的世界。

IUPAC聘请的专家从全球化学家提交的提名中选出了“化学十大新兴技术”,以下是化学科学的新兴进展,这些进展徘徊在胚胎的“尤里卡”时刻之间。最肯定的是,在不久的将来,我们将回顾这些创新技术的选择,并庆祝它们如何改变我们生活的世界。

纳米农药是从纳米材料和纳米技术衍生而来,“最早出现的是纳米材料,由于对纳米材料的研究,慢慢才衍生到纳米药物和纳米农药

化学家一直受到大自然的启发。几年前,研究人员梦想着一种新型催化剂,就像大多数天然酶一样,不需要使用昂贵的金属。“有机催化”诞生于1990年代后期,此后一直没有停止增长。根据该领域的领先专家之一Paolo Melchiorre所说,有机催化是成功的,因为“ [它]相当民主,每个人都可以使用它而无需昂贵的试剂或手套箱,这使许多年轻的研究人员可以开始他们的独立职业。 ,并迅速组建了一个国际专家社区,这些社区成为无金属催化思想的绝佳孵化器。”他解释说。

全固态锂电池是相对液态锂电池而言,是指结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件。具体来说,它由正极材料+负极材料和电解质组成,而液态锂电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成。

流动化学,也称为连续流或柱塞流化学,是一种在连续流动的流体中进行的化学反应。反应物被泵入一个混合装置中,然后流至温度受控的管路、管道或者微结构反应器中直至反应完成。

为了促进所需的反应,通常混合装置和反应器都要维持在一个合适温度。但是,为了促进电化学或光化学反应,也会将反应物暴露于电通量或者光子通量中。

与流化学一起出现的是反应挤出技术,该技术可使化学反应完全无溶剂地进行。消除了潜在的有毒溶剂,使该工艺对环境无害。但是,它带来了许多工程挑战,因为这将要求对现有的工业流程进行彻底的重新设计。尽管挤出工艺已被聚合物和材料专家广泛使用和研究,但直到现在,其他化学家才开始挖掘其在制备有机化合物中的可能性。经典的挤出方法涉及在球磨机中研磨试剂,但是使用螺杆的更先进的挤出技术甚至可以使这些无溶剂的反应在流量设置中进行。

MOF材料是一类新型的金属-有机框架化合物,是指由金属离子与有机配体通过配位键连接而成的具有无限结构的多孔材料,种类繁多,有些属于微孔材料,也有一些属于介孔材料(如MIL-101)。而微孔材料是指孔径小于2nm的材料。

酶分子定向进化:模拟自然进化过程(随机突变和自然选择)在体外进行酶基因的人工随机突变,建立突变基因文库,在人工控制条件的特殊环境下,定向选择得到具有优良催化特性的酶的突变体的技术过程。

“循环经济无疑是目标,” Tanja Junkers说。再一次,化学家应该受到大自然的启发。在那里,“一切都被重复利用,我们应该对合成材料进行同样的处理。”该策略将用一块石头杀死两只鸟,“它将长期解决可回收性问题,并且[需要]寻找合适的材料主要[聚合物]构件的来源。”

某些聚合物,例如聚乳酸(PLA),仅通过加热就可以很容易地循环回它们的单体中。其他材料,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),也可以分解为最基本的单元。首先,用乙二醇处理聚合物,这会将长的聚合物链分解为低聚物。这些较小的碎片在较低的温度下熔化,因此可以过滤以除去任何杂质。然后,一旦材料纯化,就将其完全分解为单体,然后通过蒸馏再次纯化。

Junkers解释说:“自由基聚合的可逆失活(RDRP)是20多年前发明的,它彻底改变了聚合物的世界。” 她说:“这些方法都依赖于对几乎不可控制的链反应施加控制的机制,这使我们能够以接近自然界的准确性设计聚合物。” RDRP聚合物已在许多领域找到了用途:建筑,印刷,能源,汽车,航空航天和生物医学设备只是其中的一些例子。“大多数时候,我们使用这些聚合物时都没有意识到,” Junkers说。RDRP已成为工业化学家非常强大且有用的工具。

但是,仍有大量的空间可以进行进一步的创新,尤其是在寻找更环保的聚合解决方案方面。现在,有很多方法可以仅使用光来控制RDRP过程,甚至无需使用金属[ 18 ]。近年来,化学家还开发了适用于流动系统的RDRP方法,这将使他们朝着更绿色的聚合物和塑料合成方向发展[ 19 ]。

最后,化学家还掌握了在水性介质中起作用的聚合过程,避免了使用挥发性或有害溶剂。最新进展使他们能够在短短几分钟内[ 20 ] 在水中获得超高分子量聚合物,同时又能精确控制聚合物的分支。在某些情况下,其中一些过程可以使用低能耗的光源,甚至仅使用日光。尽管这项技术已经很成熟,但可以肯定的是RDRP方法将继续创新,从而获得更大的商业成功

生物打印是当今最有前途的技术之一。化学家和生物学家使用3D打印机和由活细胞以及生物材料和生长因子制成的墨水,成功地制造出了与自然版本几乎没有区别的人造组织和器官。3D生物打印可以彻底改变诊断和治疗方法,因为人工组织和器官可以轻松用于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚至可以为不需要捐赠者的理想移植物创造组织和器官。目前,科学家已经可以3D打印肾小管组织(心脏,尿道,血管),黏性器官(胰腺)和实体系统(骨骼)。最近,剑桥研究人员甚至设法对视网膜进行3D打印,仔细地沉积不同类型的活细胞层,以生成在结构上类似于自然眼组织的结构。