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近日，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）公布了“2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名單。詳細介紹如下：

01 Sodium-ion batteries

鈉離子電池

鈉離子電池（NIB 或 SIB）是一種可充電電池，類似于鋰離子電池，但使用鈉離子 作為電荷載體。它的工作原理和電池結(jié)構(gòu)與商業(yè)上廣泛使用的鋰離子電池類型幾乎相同，但使用的是鈉化合物而不是鋰化合物。

鈉離子電池正在成為現(xiàn)有鋰電池技術(shù)的潛在替代品，因為世界將面臨后者資源的減少。此外，與鋰相比，鈉的低成本是考慮鈉作為未來替代電池技術(shù)的一個有希望的因素。由于 SIB 使用豐富且廉價的材料（如鈉代替鋰，鋁代替銅），因此預(yù)計它們會比 LIB 便宜。此外，SIBs 對環(huán)境的影響很小。盡管 SIB 比 LIB 重，但它們更適用于重量和體積不太重要的固定式儲能系統(tǒng)。

我們需要更好、更實惠的電池。鈉離子電池是一種豐富且價格合理的鋰替代品。

02 Nanozyme

納米酶

納米技術(shù)是開發(fā) COVID-19 疫苗的關(guān)鍵。納米世界在醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可能性已變得顯而易見，許多其他技術(shù)也引起了研究人員和 IUPAC 專家的關(guān)注。其中有納米酶，具有天然酶特性的納米材料，以及一些補充特性。由于納米酶是人造的，并且是在實驗室按需設(shè)計的，因此它們在穩(wěn)定性、可回收性和成本方面具有多種優(yōu)勢。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內(nèi)起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩(wěn)定的儲存。

納米酶領(lǐng)域大約在 20 年前出現(xiàn)。2004 年，意大利研究人員將金納米粒子功能化以催化磷酸化反應(yīng)，幾年后，中國科學(xué)院生物物理研究所閻錫蘊院士團隊發(fā)現(xiàn)某些納米粒子自然表現(xiàn)出類似酶的活性（Nature Nanotech, 2007, 2, 577–583 ）。這兩件事都引發(fā)了一個全新領(lǐng)域的指數(shù)級增長，此后取得了非常重大的進展，包括在美國、歐洲和亞洲的一些開創(chuàng)性商業(yè)企業(yè)。納米酶的另一個優(yōu)勢來自定制的可能性。化學(xué)家附加各種分子來修飾納米酶的特性，使其超越經(jīng)典的催化能力。納米世界在表面積方面提供了獨特的可能性，并允許多功能化——應(yīng)用于生物分析、診斷、治療、傳感、水處理等等。納米酶領(lǐng)域最具吸引力的方法之一是開發(fā)新型即時診斷技術(shù)，有可能滿足世界衛(wèi)生組織 (WHO) 的最關(guān)鍵呼吁。對于 WHO，床旁設(shè)備應(yīng)符合 ASSURED 標(biāo)準——經(jīng)濟實惠、敏感、具體、用戶友好、快速、無設(shè)備和交付。納米酶可以為許多不同的測試技術(shù)提供這些特性，包括電化學(xué)、熒光、比色和免疫分析。此外，它們確保了小型化和長期穩(wěn)定性，與當(dāng)前最先進的技術(shù)相比，這兩項都是重要的改進。此外，納米酶已顯示出良好的生物兼容性，可確保安全集成到醫(yī)療保健應(yīng)用中，包括生物成像和病原體檢測。

此外，納米酶已在治療中找到用途，主要是因為它們催化消除與衰老、炎癥、不孕癥、神經(jīng)退行性疾病和癌癥有關(guān)的活性氧和氮。在一些初步研究中，納米酶已顯示出針對所有這些問題的保護特性，并且還促進了干細胞的生長，這對組織工程和其他療法很有用。除了生物醫(yī)學(xué)，納米酶已成為水處理和去除污染的有用解決方案，符合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 6、14 和 15，所有這些都與清潔環(huán)境有關(guān)。這種特殊應(yīng)用的一個有趣方面是鐵基納米酶的可回收性，這源于它們的磁性。凈化污染介質(zhì)后，很容易用磁鐵從溶液中提取納米酶，用于后續(xù)處理和再利用。研究人員還設(shè)計了基于金、鈰、鉑和汞納米酶的邏輯門——所有這些都可以促進計算機的小型化。通過解決天然和人造酶的一些問題，并提供一些有前途的新特性，納米酶很快就會成為許多不同應(yīng)用中有吸引力的替代品。

納米酶是一種結(jié)合自然和人工催化的力量，它在穩(wěn)定性、可回收性和成本方面具有多種優(yōu)勢。與僅在特定的溫度和 pH 范圍內(nèi)起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩(wěn)定的儲存。

03 Aerogels

氣凝膠

氣凝膠是一類由凝膠衍生的合成多孔超輕材料，其中凝膠的液體成分已被氣體取代，凝膠結(jié)構(gòu)沒有明顯塌陷，形成具有極低密度和極低熱導(dǎo)率的固體。氣凝膠可以由多種化合物制成，例如二氧化硅氣凝膠摸起來像易碎的膨脹聚苯乙烯，而一些基于聚合物的氣凝膠摸起來像硬質(zhì)泡沫。

氣凝膠是通過超臨界干燥或冷凍干燥提取凝膠的液體成分來生產(chǎn)的。這允許液體緩慢干燥，而不會導(dǎo)致凝膠中的固體基質(zhì)因毛細作用而像傳統(tǒng)蒸發(fā)會發(fā)生的塌陷。氣凝膠結(jié)構(gòu)源于溶膠-凝膠聚合，即單體（簡單分子）與其他單體反應(yīng)形成溶膠或由鍵合、交聯(lián)的大分子組成的物質(zhì)，其中有液體溶液的沉積物。當(dāng)材料被嚴格加熱時，液體會蒸發(fā)，留下鍵合、交聯(lián)的高分子框架。聚合和臨界加熱的結(jié)果是產(chǎn)生了一種具有多孔強結(jié)構(gòu)的材料，被歸類為氣凝膠。合成的變化可以改變氣凝膠的表面積和孔徑?？讖皆叫。瑲饽z越容易破裂。

氣凝膠是已知的最輕的固體之一，但是基于聚合物的氣凝膠具有很高的強度和抗撕裂性。另一個關(guān)鍵特性來自它們的低密度和孔隙率——它們是非常好的熱絕緣體，因此在航空航天技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了許多有趣的應(yīng)用。事實上，NASA 依靠一個專門的研究團隊來研究這類材料，并且已經(jīng)在他們的火星探測器和其他航天器中測試了其中一些材料作為絕熱體。氣凝膠提供出色的隔熱效果，其厚度僅為傳統(tǒng)絕緣材料的一半。

也許不足為奇的是，這樣的空間技術(shù)導(dǎo)致了氣凝膠更多的實際應(yīng)用。許多項目與 IYBSSD 和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的目標(biāo)一致——包括高效催化劑、超級電容器、藥物輸送系統(tǒng)和水凈化。后者——以及其他在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用——已被廣泛探索并顯示出巨大的前景。特別是，氣凝膠成功地去除了污染物，例如空氣中的揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 以及水中的有毒物質(zhì)。通過不同的工藝，化學(xué)家定制氣凝膠的表面以改變它們的吸附能力，并調(diào)整它們的選擇性。最具吸引力的應(yīng)用包括去除廢水中的重金屬離子以及有效清潔和處理溢油。此外，一些研究人員建議使用氣凝膠的巨大表面積來解決我們這一代最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題之一——大氣中二氧化碳的高濃度。它們在容量和工作溫度方面與沸石和金屬有機骨架 (MOF) 等其他多孔材料競爭，因此一些吸附氣凝膠已經(jīng)為此目的商業(yè)化。

此外，氣凝膠表面的可調(diào)節(jié)性導(dǎo)致在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和傳感方面的突破性應(yīng)用。而且這種組合更有趣。例如，氣凝膠的生物兼容性可能導(dǎo)致植入式設(shè)備監(jiān)測生理常數(shù)。生物兼容性和生物降解性已經(jīng)引發(fā)了能源生產(chǎn)和儲存的用途，提供了比其他可用替代品更環(huán)保的解決方案。氣凝膠由葡萄糖、纖維素、石墨烯和其他環(huán)保材料制成，改善了電池、超級電容器甚至柔性電子產(chǎn)品的性能。但也許最有趣的應(yīng)用再次來自氣凝膠的熱特性。不同的研究已經(jīng)證明了氣凝膠如何提高太陽能熱電廠的效率，即。能量收集平臺，將太陽的熱量集中起來產(chǎn)生蒸汽、移動渦輪機和發(fā)電。因此，氣凝膠還為應(yīng)對持續(xù)的能源危機提供了有趣的工具。

氣凝膠是最輕的隔熱材料，為應(yīng)對持續(xù)的能源危機提供了有趣的工具。

04 Film-based fluorescent sensors

薄膜熒光傳感器

熒光是化學(xué)和生物傳感的基本工具，主要是由于其靈敏度和選擇性。由于其可調(diào)諧性和多功能性，基于薄膜的熒光傳感器已成為一種廣泛使用的工具。在這些設(shè)備中，熒光分子被固定在合適的表面上，形成對外部刺激起反應(yīng)的 2D 或 3D 薄膜。一個優(yōu)點是便攜性。基于薄膜的熒光傳感器的尺寸不到一厘米，這使得分析工具可以小型化。基于薄膜的熒光傳感器除了體積小之外還具有有趣的特性，例如功率效率和易于操作。在過去的幾年里，陜西師范大學(xué)房喻院士團隊已經(jīng)開發(fā)出不同的基于薄膜的熒光傳感器來檢測不同的物種，特別是氨、NOx 和 VOC 等污染氣體。此外，這些薄膜還可以檢測更復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，包括殺蟲劑、神經(jīng)毒劑和三硝基甲苯 (TNT) 等爆炸物（Mol. Syst. Des. Eng., 2016,1, 242-257）。

最近，陜西師范大學(xué)房喻院士團隊研究人員設(shè)計了一種基于薄膜熒光傳感器的“化學(xué)鼻”，以極高的靈敏度檢測尼古?。–hem. Commun., 2019,55, 12679-12682）。這些結(jié)果暗示了基于薄膜的熒光傳感器在環(huán)境修復(fù)應(yīng)用中的巨大可能性，因為它們可以在不同污染物的檢測、識別和量化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。最近，研究人員已經(jīng)證明了基于薄膜的熒光傳感器檢測病原體的潛力，特別是食源性李斯特菌，這是許多食物中毒病例背后的致命細菌（Aggregate 2022, e203）。所有這些，再加上紫外線激光技術(shù)的最新進展，可能會導(dǎo)致污染檢測設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的小型化，在部署互連監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（例如通過物聯(lián)網(wǎng)）和應(yīng)用可穿戴電子產(chǎn)品和便攜式傳感器領(lǐng)域。

基于薄膜的熒光傳感器擁有微型探測器的可調(diào)諧、多功能替代方案。

05 Nanoparticle mega libraries

巨型納米粒子圖書館

巨型圖書館和一種名為 ARES 的基于原位拉曼光譜的篩選技術(shù)幫助研究人員確定了一種新的金銅催化劑。它可用作合成由碳制成的單壁納米管的催化劑。美國研究人員表示，他們已經(jīng)開發(fā)出一種生產(chǎn) 65,000 多種復(fù)雜納米粒子的方法，每種納米粒子包含多達六種不同的材料和八個片段，其界面可用于電氣或光學(xué)應(yīng)用。每根長約 55 納米，寬約 20 納米：相比之下，人類頭發(fā)的厚度約為 100,000 納米?！凹{米科學(xué)界對制造結(jié)合了幾種不同材料——半導(dǎo)體、催化劑、磁體、電子材料的納米顆粒非常感興趣，”賓夕法尼亞州立大學(xué)團隊負責(zé)人 Raymond E Schaak 說?！澳憧梢钥紤]將不同的半導(dǎo)體連接在一起，以控制電子如何穿過材料，或者以不同的方式排列材料來改變它們的光學(xué)、催化或磁性。Schaak 及其同事采用由銅和硫組成的簡單納米棒，然后使用稱為陽離子交換的過程用其他金屬順序替換一些銅。通過改變反應(yīng)條件，他們可以控制納米棒中銅被替換的位置（一端、兩端同時或中間）。他們用其他金屬重復(fù)了這個過程，這些金屬也可以放置在納米棒內(nèi)的精確位置。通過與幾種不同的金屬進行多達七次連續(xù)反應(yīng)，他們可以創(chuàng)造出彩虹般的粒子——超過 65,000 種金屬硫化物材料的組合是可能的。

多年來，大數(shù)據(jù)和高通量篩選推動了新化學(xué)品的發(fā)現(xiàn)。納米粒子巨型圖書館以某種方式將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為材料世界。通過創(chuàng)建具有數(shù)百萬個組成和結(jié)構(gòu)各不相同的納米粒子的陣列，科學(xué)家們設(shè)計了一種強大的工具來個性化特性和應(yīng)用。

研究人員使用稱為聚合物筆光刻的納米顆粒沉積技術(shù)構(gòu)建這些巨型圖書館。不同的金屬鹽溶解在聚合物墨水中，然后使用數(shù)千個微小的軟尖端小心地將其沉積在表面上——力和壓力決定了液滴的大小，從而決定了顆粒的大小。之后，加熱消除聚合物并減少鹽，使金屬納米顆粒準備好催化化學(xué)反應(yīng)。它相當(dāng)于制造數(shù)百萬個微型反應(yīng)器，濃縮在一張簡單的顯微鏡載玻片上（Science 2008, 321 (5896), 1658）。

納米粒子巨型圖書館，高通量合成篩選到達納米世界。

06 Fiber batteries

纖維電池

如前所述，世界需要更好的電池來應(yīng)對能源危機。使用當(dāng)前技術(shù)有效地儲存能量是非常困難的。事實上，根據(jù)美國能源信息署的估計，使用電池供電的家用電器將使您的電費增加三倍并占用大量空間。纖維電池提供了另一種有趣的解決方案，同時在可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域開辟了可能性。

纖維電池的配置與傳統(tǒng)的替代品完全不同，通常基于堆疊的電極和組件——很像意大利化學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔的原始設(shè)計。相反，纖維電池呈現(xiàn)出幾乎一維的設(shè)計，以纏繞的電線作為電極。該結(jié)構(gòu)受到聚合物涂層的保護，聚合物涂層也將電解質(zhì)密封在電池內(nèi)。類似地，這種設(shè)計的修改版本產(chǎn)生了超級電容器——一種能夠快速提供電荷的儲能解決方案，例如在攝影閃光燈中。總體而言，纖維電池與其他解決方案相比具有一系列優(yōu)勢；它們靈活、堅固且安全。此外，編織纖維可制成電池“織物”，適用于許多不同的形狀和應(yīng)用。一些研究表明，電池織物柔軟且透氣，因此非常適合可穿戴電子產(chǎn)品的應(yīng)用。它們似乎還可以承受洗滌，而不會損失任何能量密度。其他方法，例如熱拉法，允許用電活性凝膠制造纖維電池，同時電極得到柔性防水包層的保護。這種策略已經(jīng)實現(xiàn)了長達 140 米的纖維的連續(xù)生產(chǎn)，并展示了類似的放電能力。

最近，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授課題組開發(fā)了基于鋰離子技術(shù)生產(chǎn)高性能編織纖維電池的新方法。這些設(shè)備的能量密度比第一個纖維電池原型好八十倍；此外，它們在五百次充電循環(huán)后仍保留 90% 的容量，這與大多數(shù)商用電池相當(dāng)。在概念驗證應(yīng)用中，科學(xué)家們研究了為智能手機無線充電的可能性，以及將編織電池與紡織品顯示器和交互式夾克集成在一起，用于監(jiān)測不同的身體常數(shù)。該工藝還具有可擴展性，因為它經(jīng)過優(yōu)化，可與標(biāo)準工業(yè)設(shè)備配合使用，包括紡織工業(yè)中廣泛使用的機械，如劍桿織機。在理想情況下，電池的成本可能低于每米 0.05 美元（相關(guān)報道：不到半年，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團隊再發(fā)Nature?。?。三星和華為等公司正在研究纖維電池的潛力，預(yù)計該市場將與可穿戴設(shè)備和印刷電子產(chǎn)品等產(chǎn)品一起增長。

纖維電池，一種新的儲能形式，為可穿戴設(shè)備做好準備。

07 Liquid solar fuel synthesis

生產(chǎn)液態(tài)太陽能

植物利用光合作用將二氧化碳和陽光轉(zhuǎn)化為葡萄糖。同樣，化學(xué)家創(chuàng)造了“人工光合作用”來模擬這一過程，并生產(chǎn)出富含能量的物質(zhì)，并用作燃料。通常，研究人員會尋找碳基分子，例如醇類和低分子量碳氫化合物，以用污染較少的替代品替代無處不在的石油衍生燃料。然而，一些分類還包括氫、氨和肼等燃料，只要其制造中使用的主要能源是完全可再生的——主要是太陽能和風(fēng)能。像電池一樣，太陽能燃料提供了儲存間歇性能量的新機會。這就是為什幺一些專家稱這種策略為“裝瓶可再生能源”。

光催化也提供了巨大的機會。通過直接使用陽光來激活和加速反應(yīng)，化學(xué)家可以節(jié)省步驟并簡化整個過程。許多人認為光催化是將太陽能轉(zhuǎn)化為能源豐富的產(chǎn)品（如燃料）的理想方法。目前，世界各地的許多團體都在努力解決這一過程中的問題。即使是植物，經(jīng)過數(shù)十億年的進化，也只能管理最高 4% 的能量轉(zhuǎn)換效率。其中一些解決方案來自將人造催化劑與天然結(jié)構(gòu)（例如酶甚至細菌）配對。除其他優(yōu)點外，這些耦合系統(tǒng)提供了獲取有趣的商品化學(xué)品的途徑，例如乙酸。其他團體夢想在夜間工作的光催化過程，并將催化劑連接到電容器和電池，它們在照明期間儲存能量并在晚上開始釋放能量?！俺志霉獯呋钡母拍羁梢詼p少間歇性，提高過程的性能。

液態(tài)太陽能燃料，“裝瓶可再生能源”和制造更環(huán)保化學(xué)品的戰(zhàn)略。

08 Textile displays

紡織品展示

屏幕在我們的生活中無處不在。此外，據(jù)估計，我們 80% 的外部環(huán)境感知直接來自我們的眼睛，這使得視覺成為最重要和最復(fù)雜的感覺?，F(xiàn)在，隨著高速通信和連接設(shè)備（即物聯(lián)網(wǎng)）的出現(xiàn)，研究人員開始探索紡織品展示領(lǐng)域。這些設(shè)備將改變我們的日常電子產(chǎn)品，以及我們與它們互動的方式，并促進新型可穿戴設(shè)備和智能織物的商業(yè)化。

傳統(tǒng)上，可穿戴設(shè)備依賴于貼在織物和紡織品表面的薄膜顯示器。紡織顯示器的做法完全不同，其實和上面提到的纖維電池很相似。研究人員直接開發(fā)出能夠發(fā)光的纖維，然后將它們交織在一起形成柔性織物作為顯示器。這種策略解決了很多問題：一是增加了透氣性，傳統(tǒng)屏風(fēng)會阻礙；其次，它使可穿戴設(shè)備更柔軟，更接近實際的衣服；第三，纖維自由彎曲；變形對發(fā)射的影響不如薄膜屏幕。

研究人員研究了許多不同的材料來制造紡織品顯示器。例如，有機發(fā)光二極管 (OLED)——通常是平面夾層結(jié)構(gòu)——已被改造成同軸纖維?；蛘?，聚合物發(fā)光二極管 (PLED) 增加了靈活性。使用的聚合物具有電致發(fā)光特性，并支持流行的生產(chǎn)工藝。由于一些將少量 OLED 與 PLED 結(jié)合在一起，因此出現(xiàn)了一種新的命名法來定義這些發(fā)光設(shè)備：光纖 LED (FLED)。復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授團隊使用發(fā)光電化學(xué)電池，將陰極和陽極材料與電解質(zhì)或粉末狀發(fā)光材料（通常是硫化物鹽）分散到纖維中。前者實現(xiàn)了顏色可調(diào)性等新穎性，而后者盡管亮度較低，但從生產(chǎn)的角度來看具有優(yōu)勢，因為允許使用傳統(tǒng)的編織工藝，從而實現(xiàn)米長的纖維和高表面顯示器(復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團隊今日《Nature》！)。

紡織品展示，用于柔性屏幕的基于纖維的發(fā)光二極管。

09 Rational vaccines with SNA

合理球形核酸疫苗

COVID-19 大流行強調(diào)了疫苗的重要性。事實上，IUPAC“十大”倡議也一再承認該領(lǐng)域新興和成熟技術(shù)的價值，例如 mRNA 疫苗和核酸的可擴展合成。現(xiàn)在，在這一版中，我們的專家選出了疫苗學(xué)中另一個有趣的創(chuàng)新：球形核酸，通常簡稱為 SNA。最初于 1996 年開發(fā)，這些結(jié)構(gòu)星狀核酸鏈連接到不同種類的納米結(jié)構(gòu)。首先是金納米粒子，但其他材料——二氧化硅、聚合物、蛋白質(zhì)、膠束、MOF——緊隨其后，提供了強大的多功能性。

SNA 的化學(xué)和生物學(xué)特性與線性核酸不同，即使它們共享相同的核苷酸串行。三維排列促進進入細胞，這發(fā)生得更快，數(shù)量更多。此外，這樣的組織會產(chǎn)生單個組件單獨缺乏的屬性。事實上，初步研究表明，以前在臨床試驗中失敗的治療性抗原和佐劑在納入納米工程 SNA 治療時可能會顯示出增加的活性。

事實證明，SNA 疫苗可有效預(yù)防傳染性病原體，例如 SARS-CoV-2，即導(dǎo)致 COVID-19 的冠狀病毒。當(dāng)受到致命劑量的病毒攻擊時，先前接種過疫苗的小鼠存活下來，這證明了 SNA 產(chǎn)生良好免疫反應(yīng)的保護潛力。值得注意的是，這種特殊的設(shè)計不需要刺突蛋白的整個結(jié)構(gòu)來工作。覆蓋有 DNA 的脂質(zhì)體包裹了受體結(jié)合域的較小抗原，從而簡化了此類疫苗的合成和適應(yīng)性。此外，SNA 制劑在室溫下保持穩(wěn)定，這有助于在偏遠地區(qū)獲得疫苗，符合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

球形核酸在癌癥免疫療法中也顯示出前景，特別是針對黑色素瘤、卵巢癌和前列腺癌。在一項研究中，用 SNA 疫苗治療成功地消除了 30% 的小鼠的腫瘤，這推動了向人體臨床試驗的過渡。事實上，目前有六項人體臨床試驗測試 SNA 相關(guān)產(chǎn)品用于免疫治療和基因調(diào)控。生物技術(shù)公司 Exicure 尋求 SNA 療法的批準和商業(yè)化，并已開始與 Allergan、Dermelix 和 Ipsen 合作開發(fā)不同的藥物。SNA 絕對是一項新興技術(shù)，未來可能會改變我們應(yīng)對疾病的方式。

帶有 SNA 的合理疫苗，球形核酸重塑和重組疫苗技術(shù)。

10 VR-enable interactive modeling

VR 平臺交互式建模

在元節(jié)之年，IUPAC“十大”涉足虛擬現(xiàn)實（VR）。通過虛擬空間，研究人員探索增強計算化學(xué)和分子動力學(xué)可能性的互動合作。由于這些與分子的創(chuàng)新相互作用，研究人員加強了他們的特殊推理，并提高了他們對量子化學(xué)的理解。

支持 VR 的平臺不是通過鍵盤和鼠標(biāo)與計算機交互，而是允許研究人員進入一個充滿巨大分子的想象房間，并通過他們手中的同步無線控制器“觸摸”它們。一旦進入那里，他們就會戳原子、移動它們、引入修飾和官能團——同時虛擬分子由外部計算機實時模擬和渲染。由于分子間相互作用本質(zhì)上是三維的，因此在這些虛擬空間中工作可以提高我們對化學(xué)反應(yīng)的理解。這種身臨其境的體驗，在手術(shù)室和動畫工作室等其他環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，可加速結(jié)果并減少錯誤。使用 VR 時，化學(xué)家完成分子建模任務(wù)的速度比使用傳統(tǒng)界面快十倍。

這一策略遠非幻想，而是已經(jīng)提供了現(xiàn)實生活中的結(jié)果。例如，VR 設(shè)置幫助研究人員有效地生成蛋白質(zhì)-配體對接姿勢，利用專家和非專家來探索不同的位置可能性。該模型致力于設(shè)計不同的抗病毒藥物，其中包括用戶“即時”實施的修改，因為他們確定了可以更好地結(jié)合蛋白質(zhì)活性位點的原子和官能團。此外，研究人員使用類似的策略來設(shè)計針對 SARS-CoV-2 的主要靶標(biāo)之一的抑制劑，一種稱為 Mpro 的蛋白酶。所有這些研究都是在開源框架 Narupa 下運行的，該框架與市場上大多數(shù)商品 VR 設(shè)備一起運行。這些研究的另一個好處來自演示期間的全面數(shù)據(jù)收集。經(jīng)過適當(dāng)處理后，這些信息將指導(dǎo)機器學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們比其他方法更準確地預(yù)測分子的特性。

VR 建模還為化學(xué)教育創(chuàng)造了新的可能性，符合 SDG 4 和 IUPAC 的核心價值觀。學(xué)生在使用這些 VR 增強工具時的反饋，特別是一個名為 Manta 的進程，比傳統(tǒng)技術(shù)要積極得多。由于對原子和分子的直接觀察，學(xué)生對宏觀和微觀現(xiàn)象的理解似乎也是如此。此外，數(shù)字工具為遠程教育開辟了可能性，從而使教師能夠與幾乎任何地方的任何人分享他們的課程，只要他們有互聯(lián)網(wǎng)連接并可以訪問 VR 集。