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    世界人口不斷增長。一些預測表明，到2050年，我們將有將近100億人口。為了保護作物可持續(xù)發(fā)展，需要大量增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，最大限度地減少土地利用方面的環(huán)境影響，減少所需的水量，并減少人口數(shù)量。農(nóng)藥，如化肥或農(nóng)藥污染。不出所料，納米技術正在吸引制藥和健康行業(yè)以外的相當多的關注。量身定制的納米輸送系統(tǒng)也可以成為農(nóng)民的一個很好的工具，因為它最終將使他們能夠解決傳統(tǒng)農(nóng)藥的主要問題，如環(huán)境污染，生物累積和抗蟲害的大幅增加。在大多數(shù)情況下，療效的提高非常有限。然而，在某些情況下，研究人員觀察到在實驗室條件下改進了一個數(shù)量級。我們?nèi)匀恍枰�在田間條件下對納米殺蟲劑的功效進行適當?shù)脑u估。這就是為什么一些公司仍在調查他們的潛力，證明這項技術仍有希望。加拿大Vive Crop可能是最好的例子，銷售的產(chǎn)品比非納米商業(yè)替代品具有更好的吸收性和更少的環(huán)境影響。此外，該公司最近獲得了美國環(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。納米技術可能不是成功的新的，更具可持續(xù)性的農(nóng)業(yè)的唯一成分，但它肯定會導致更復雜的農(nóng)用化學品，對環(huán)境和人類健康的影響更小。 

    2、對映選擇性有機催化

    早在2015年，麻省理工學院的化學家就證明了流動化學的潛力，可以創(chuàng)造出經(jīng)典批次技術難以實現(xiàn)的定制聚合物。據(jù)該領域的專家介紹，流程更快，更簡單，更可靠，這與SDG目標非常一致。

    最近的實例甚至已經(jīng)顯示出流動化學可以承受有害試劑如有機鋰化合物的潛力。默克化學家實現(xiàn)了100千克規(guī)模的verubecestat前體合成，這是一種治療阿爾茨海默病的III期候選藥物。最近的其他實例包括環(huán)丙沙星（一種必需的抗生素）的流動合成，以及由輝瑞公司開發(fā)的自動流動系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠每天分析多達1500個反應條件，加速了新藥和現(xiàn)有藥物的最佳合成途徑的發(fā)現(xiàn)。

    5、反應擠出

    隨著流動化學的發(fā)生，反應性擠出成為一種允許化學反應完全無溶劑化的技術。消除潛在有毒溶劑使該過程對環(huán)境友好。然而，它產(chǎn)生了許多工程挑戰(zhàn)，因為它需要對現(xiàn)有的工業(yè)流程進行全面的重新設計。盡管擠出工藝已被聚合物和材料專家廣泛使用和研究，但現(xiàn)在只有其他化學家開始研究它們在制備有機化合物方面的可能性。經(jīng)典的擠出方法涉及在球磨機中研磨試劑，但使用螺桿的更先進的擠出技術甚至可以允許這些無溶劑反應在流動設置中操作。再來一次，缺點在于有效地調整系統(tǒng)并擴展它們。在他們的實驗室中，化學家們使用球磨機來制備幾種有吸引力的產(chǎn)品 - 氨基酸，腙，硝酮和肽 - 并且已經(jīng)實現(xiàn)了一些非常經(jīng)典的有機反應 - 鈴木偶聯(lián)，點擊化學 - 但是在聚合物之外的反應擠出條件下的實例仍然存在相當難以捉摸。然而，稀少的例外顯示出巨大的希望。生物技術公司Amgen報道了優(yōu)化的共晶合成，可用于治療慢性疼痛，這也是機械化學合成的第一個例子，可擴大到數(shù)百克。此外，英國的科學家們已經(jīng)使用反應性擠出來有效地制備深低共熔溶劑 - 一類可能成為新一代綠色，非易燃溶劑的離子液體。前面的兩個例子都涉及分子內(nèi)相互作用的形成，但不是新共價鍵的產(chǎn)生。然而，化學家們最近報道了金屬有機骨架（MOFs）的形成和螺桿擠出的離散金屬配合物，為更清潔，更可持續(xù)的無溶劑化學開辟了新的可能性。

    6、用于集水的MOF和多孔材料

    據(jù)聯(lián)合國（UN）稱，水資源短缺影響了全球40％以上的人口，并且預計會增加。最重要的是，十分之三的人無法獲得安全管理的飲用水服務。化學可以為這個被確定為SDG 6的問題帶來解決方案，“改變我們的世界”使用多孔材料，特別是金屬有機框架（MOF）。像MOF這樣的多孔材料具有海綿狀化學結構，具有微觀空間，可以選擇性地捕獲分子，從氣體 - 氫氣，甲烷，二氧化碳，水 - 到更復雜的物質，如藥物和酶。雖然一些研究人員專注于MOF在藥物輸送和氣體凈化中的應用，但Omar Yaghi偶然發(fā)現(xiàn)了它們從大氣中捕獲水的巨大潛力�！爱斘覀冄芯繉⑷紵�后氣體吸收到MOF中時，我們注意到一些MOF與水分子發(fā)生了獨特的相互作用，”Yaghi解釋道。然后，他們想知道是否有相同的材料“可以”用于在干旱氣候中從大氣中捕獲水分，然后很容易被釋放用于收集�！斑@種技術是獨一無二的，因為它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能量，”Yaghi說。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。在開發(fā)更高容量，可能更便宜的集水材料時，Yaghi“已經(jīng)與公司合作，在工業(yè)規(guī)模上測試他們的MOF水收割機�！边�有其他具有類似能力的多孔材料，如硅基和無機多孔固體，以及最近報道的模擬仙人掌刺結構的仿生多孔表面只需一公斤的MOF就能在濕度低至20％的情況下每天收獲2.8升水。在開發(fā)更高容量，可能更便宜的集水材料時，Yaghi“已經(jīng)與公司合作，在工業(yè)規(guī)模上測試他們的MOF水收割機�！边�有其他具有類似能力的多孔材料，如硅基和無機多孔固體，以及最近報道的模擬仙人掌刺結構的仿生多孔表面[ 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。在開發(fā)更高容量，可能更便宜的集水材料時，Yaghi“已經(jīng)與公司合作，在工業(yè)規(guī)模上測試他們的MOF水收割機�！边�有其他具有類似能力的多孔材料，如硅基和無機多孔固體，以及最近報道的模擬仙人掌刺結構的仿生多孔表面。Yaghi認為，他們中的大多數(shù)人在從低濕度空氣中吸收水的能力不如MOF。然而，進一步的研究當然可以探索找到最佳解決方案的所有可能性，不僅用于收獲水，而且用于凈化水，確保實現(xiàn)聯(lián)合國最重要的目標之一 - 實現(xiàn)充分和公平的衛(wèi)生和衛(wèi)生。所有。

    7、選擇性酶的定向進化

    酶的定向進化獲得了2018年諾貝爾化學獎。通過定向進化產(chǎn)生的酶用于制造從生物燃料到藥物的所有物質。根據(jù)諾貝爾委員會的說法，像2018年獲獎者弗朗西斯·H·阿諾德這樣的化學家“已經(jīng)控制了進化，并將其用于為人類帶來最大利益的目的�！�

    “定向進化需要對數(shù)萬種變體進行實驗測試，但[最終]提供高活性酶，”SílviaOsuna解釋說，他通過先進的計算方法研究酶。她認為，與實驗中人工進化的天然酶和酶相比，通過合理設計產(chǎn)生的最活躍的酶“仍然表現(xiàn)得相當差�！备鶕�(jù)Osuna的說法，關于定向進化的最有趣的事實是“突變[是]遠離酶活性位點對酶催化活性產(chǎn)生巨大影響�！�

    只有通過分析人工進化的酶，我們才能學會這一點。她通過計算研究酶的領域可能是識別類似趨勢的關鍵，從而更好地理解定向進化�！坝嬎闶潜姸喙ぞ咧�一，加上蛋白質工程的進步，基因合成，序列分析和生物信息學，這將有助于我們化學家制作更集中的[酶]庫，”她總結道。
定向進化的局限性尚待發(fā)現(xiàn)。在她最近的論文中，阿諾德使用定向進化“破解”植物酶細胞色素P450。現(xiàn)在，它們可以很容易地將碳 - 氫鍵轉化為更復雜的不對稱碳 - 碳鍵。

    8、從塑料到單體

    “循環(huán)經(jīng)濟無疑是目標，”Tanja Junkers說。化學家應該再次受到大自然的啟發(fā)。在那里，“一切都被重復使用，我們應該對我們的合成材料做同樣的事情�！边@種策略將一舉兩得，“它將解決長期可回收性的問題，并且[需要]找到合適的主要[聚合物]構件的來源�！�
一些聚合物，如聚乳酸（PLA），只需使用熱量就可以很容易地再循環(huán)到它們的單體中。其他如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）可以類似地分解成它們最基本的單元。首先，用乙二醇處理聚合物，乙二醇將長聚合物鏈斷裂成低聚物。這些較小的碎片在較低溫度下熔化，因此可以過濾以除去任何雜質。然后，一旦材料被凈化，它就完全分解成單體，然后通過蒸餾再次純化。

    除了經(jīng)典化學之外，就像阿諾德先前提到的酶促轉化方法一樣，一些細菌已經(jīng)進化，這樣它們也可以將PET分解成碎片。有時塑料是碳的唯一來源，如果你想生存，你需要適應。至少有一種Nocardia具有可破壞PET中酯鍵的酯酶，最近，日本研究人員發(fā)現(xiàn)了Ideonella sakaiensis，這種細菌可以在六周內(nèi)分解PET塑料薄膜，這歸功于兩種不同的酶。然而，回收是昂貴的，“塑料世界的利潤率很低，每一分錢都很重要，”容克斯說。化學家們正在尋找更便宜的循環(huán)經(jīng)濟選擇。此外，隨著石油變得不那么豐富，塑料的價格會慢慢上漲。但是，除此之外，我們必須提高認識，清潔塑料可能更昂貴，但值得�！吧鐣�必須愿意為更可持續(xù)的選擇支付更高的價格，”容克斯總結道。

 
    9、自由基聚合的可逆失活

    “自由基聚合反應失活（RDRP）是二十多年前發(fā)明的，它徹底改變了聚合物世界，”Junkers解釋道�！斑@些方法都依賴于對其他幾乎無法控制的鏈式反應實施控制的機制，使我們能夠設計出與自然界正在接近的精確度的聚合物，”她說。RDRP聚合物已在各種領域中得到應用：建筑，印刷，能源，汽車，航空航天和生物醫(yī)學設備只是其中的一些例子�！按蠖鄶�(shù)時候，我們使用這些聚合物卻沒有意識到這一點，”容克斯說。RDRP已成為工業(yè)化學家非常強大和有用的工具。

    但仍有很大的發(fā)展空間，特別是尋找更環(huán)保的聚合解決方案�，F(xiàn)在有許多方法只使用光來控制RDRP過程，即使不需要使用金屬。近年來，化學家們還開發(fā)了RDRP方法，這些方法可用于流動系統(tǒng)，這將使它們朝著更加綠色的聚合物和塑料合成方向發(fā)展。

    最后，化學家們還掌握了在水性介質中起作用的聚合過程，避免使用揮發(fā)性或有害溶劑。最近的進展使他們能夠在幾分鐘內(nèi)在水中獲得超高分子量聚合物，同時保持對聚合物支化的精細控制。這些過程中的一些可以使用非常低能量的光源，在某些情況下甚至只是陽光。盡管是一種成熟的技術，我們可以肯定RDRP方法將繼續(xù)創(chuàng)新，產(chǎn)生更廣泛的商業(yè)成功。

    10、三維生物打印

    生物打印是當今最有前途的技術之一。使用由活細胞以及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。這項技術甚至可以為不需要捐贈者的理想移植創(chuàng)造組織和器官。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打印。最近，劍橋研究人員甚至設法對視網(wǎng)膜進行三維打印，仔細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。
化學在這個非常復雜的過程的所有步驟中起著核心作用。首先，需要“掃描”器官和組織以便具有計算模型。這是通過使用諸如計算機斷層掃描（CT）掃描和磁共振成像（MRI）的成像技術來完成的，這兩者通常都需要化學造影劑，例如釓染料。然后，生物打印本身需要無數(shù)的化學物質來穩(wěn)定生物墨水，觸發(fā)細胞的組裝，或充當印刷組織的支架。

    最后，3D生物打印的對象需要隨著時間的推移保持其結構和形式，這是一個需要物理和化學刺激的過程。而且，就像在任何移植或手術中一樣，身體總是存在拒絕印刷組織的風險。了解細胞 - 細胞識別的化學反應，主要是由以糖脂和糖蛋白形式包裹膜的糖來控制，是減少排斥反應的關鍵。化學作為高度復雜的3D生物打印背后的所有交叉學科的中心，將是這種邊緣技術的進一步發(fā)展的關鍵，據(jù)一些專家說，甚至可以建立比現(xiàn)有生物學更好的新器官。

    憑借“化學十大新興技術”計劃，IUPAC不僅慶祝其過去100年，而且還展望了化學的未來。這些進步中的每一項都具有確保我們社會福祉和地球可持續(xù)性的巨大潛力。因此，IUPAC將繼續(xù)在化學國際的未來版本中展示這些新興的化學，材料和工程技術。我們的目標是促進和突出化學在日常生活中無處不在的貢獻，并激勵新一代年輕科學家無畏地接受我們所面臨的挑戰(zhàn)，使他們能夠通過研究，創(chuàng)業(yè)和創(chuàng)造力找到解決方案。