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2025年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)

·Xolography（交叉光刻體積打?。?/span>

·Carbon dots（碳點(diǎn)）

·Nanochain biosensors（納米鏈基生物傳感器）

·Synthetic cells（合成細(xì)胞）

·Single atom catalysis（單原子催化）

·Thermogelling polymers（熱凝膠高分子）

·Additive manufacturing（增材制造）

·Multimodal foundation models for structure elucidation（用于結(jié)構(gòu)解析的多模態(tài)大模型）

·Direct air capture（直接空氣捕集）

·Electrochemical carbon capture and conversion（電化學(xué)碳捕集與轉(zhuǎn)化）

發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)照片

此次發(fā)布旨在展示化學(xué)及化學(xué)家在可持續(xù)發(fā)展和人類福祉方面的戰(zhàn)略性與創(chuàng)新性貢獻(xiàn)，推動(dòng)新興成果的商業(yè)化應(yīng)用和技術(shù)轉(zhuǎn)移。本年度入選的技術(shù)涵蓋能夠應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)、推動(dòng)可持續(xù)供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)型，以及為人類健康提供創(chuàng)新解決方案的前沿技術(shù)。

今年入選的技術(shù)中，“單原子催化”“納米鏈基生物傳感器”“合成細(xì)胞”“熱凝膠高分子”和“用于結(jié)構(gòu)解析的多模態(tài)大模型”等，均有來自中國科研團(tuán)隊(duì)的工作貢獻(xiàn)。希望“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”的遴選與發(fā)布能引起中國科技界的廣泛關(guān)注、支持和參與。

自2019年起，以成立100周年為契機(jī)，IUPAC聯(lián)合包括中國化學(xué)會(huì)在內(nèi)的來自世界各個(gè)國家和地區(qū)的化學(xué)學(xué)術(shù)組織，共同發(fā)起“年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”這一全球性活動(dòng)，希望能在全世界范圍內(nèi)遴選出具有巨大潛力的創(chuàng)新技術(shù)，以此來改變當(dāng)前的全球化學(xué)與工業(yè)界格局，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）。目前，已有70個(gè)技術(shù)入選IUPAC化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)，展示了化學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造力的多樣性與廣泛性。

2025年世界科技與發(fā)展論壇由中國科協(xié)主辦，論壇以“人工智能促進(jìn)科技與發(fā)展”為主題，圍繞人工智能與未來產(chǎn)業(yè)、綠色技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、醫(yī)工融合下的同一健康新范式、開放科學(xué)與全球合作等四大議題，展開為期3天的深入交流與探討，為推動(dòng)加快形成人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)共享的智能經(jīng)濟(jì)和智能社會(huì)新形態(tài)提供思路和啟示。

《2025年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)介紹（英文版）》

《2025年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)介紹（中文翻譯稿）》

2025 年度 IUPAC 化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù) 

自 2019 年以來，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）每 年都會(huì)發(fā)布“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”。這一舉措旨在展示化學(xué) 及化學(xué)家在可持續(xù)發(fā)展和人類福祉方面的戰(zhàn)略性與創(chuàng)新性貢獻(xiàn)， 并借此推動(dòng)新興成果的商業(yè)化應(yīng)用和技術(shù)轉(zhuǎn)移。今年的評(píng)選依舊 由全球科技工作者提案，經(jīng)專家團(tuán)隊(duì)遴選產(chǎn)生。十大新興技術(shù)涵 蓋能夠應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)、推動(dòng)可持續(xù)供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)型，以及為人類健康 提供創(chuàng)新解決方案的前沿技術(shù)。2025 年具有變革潛力的化學(xué)領(lǐng) 域十大新興技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)見下文。 

交叉光刻體積打印（Xolography） 

在 IUPAC 以往評(píng)選的化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)中，3D 打印的 潛力便已備受關(guān)注。此外，考慮到推動(dòng)制造業(yè)向更高的可持續(xù)性、 更易回收及更安全設(shè)計(jì)方向發(fā)展具有重要意義，聚合物及其相關(guān) 領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展也常被列入化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)。其中之一的 交叉光刻體積打?。?/span>Xolography） 技術(shù)，代表著 3D 打印領(lǐng)域的 一項(xiàng)重要突破。其命名本身揭示了核心理念：通過交叉（X）光 束書寫（graphy）出一個(gè)完整（holos）的三維物體。Xolography 最早于 2020 年提出，它融合了光化學(xué)與材料科學(xué)，能夠以極高 的精度和前所未有的細(xì)節(jié)水平打印聚合物。其關(guān)鍵在于同時(shí)采用 兩種不同波長的光與雙色光引發(fā)劑（DCPIs）：其中一種光用于激 活對(duì)紫外線敏感的樹脂局部區(qū)域，另一種光則用于快速固化這些 已被激活的區(qū)域，從而確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成型?？傮w而言，Xolography  能夠以極高的效率制造三維聚合物結(jié)構(gòu)，即使是復(fù)雜的中空構(gòu)件 和精密的運(yùn)動(dòng)部件，也無需額外的支撐架。這項(xiàng)技術(shù)有望徹底革新塑料制品的生產(chǎn)方式，能夠以打印級(jí)精度構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí) 避免傳統(tǒng)逐層打印方法的繁瑣與耗時(shí)?？傮w來看，該方案克服了 傳統(tǒng)聚合物 3D 打印（尤其在互連部件制造方面）的諸多局限。 除高精度之外，Xolography 還具備令人矚目的打印速度。部分研 究表明，其打印速度較傳統(tǒng)方法提升了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠在數(shù)秒 內(nèi)完成結(jié)構(gòu)制造，而逐層打印機(jī)通常需耗時(shí)三十分鐘以上。此外， 該領(lǐng)域的最新進(jìn)展已實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印過程，甚至在微重力環(huán)境下亦 能取得理想效果。該技術(shù)的主要推動(dòng)者之一是德國的初創(chuàng)企業(yè) Xolo GmbH，該公司已成功完成 800 萬歐元 A 輪融資，并申請(qǐng) 了多項(xiàng)專利，進(jìn)一步證明了 Xolography 在制造領(lǐng)域的巨大潛力。 

碳點(diǎn)（Carbon dots） 

2023 年，量子點(diǎn)的開發(fā)榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。量子點(diǎn)是一種色 彩鮮艷、無處不在的納米顆粒，已被廣泛應(yīng)用于從發(fā)光二極管領(lǐng) 域到腫瘤治療等領(lǐng)域。碳點(diǎn)作為一種更環(huán)保的替代材料，通常還 具有更優(yōu)異的生物相容性。其優(yōu)勢(shì)主要源于結(jié)構(gòu)的可個(gè)性化設(shè)計(jì)， 研究人員可以通過簡便的官能化與表面修飾策略，賦予碳點(diǎn)在傳 感、生物成像、藥物遞送、催化、太陽能電池以及能源儲(chǔ)存等領(lǐng) 域的多種應(yīng)用潛能。碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)因制備工藝而異。有些碳點(diǎn)具有 結(jié)晶的碳核，例如多層石墨烯片段（即碳量子點(diǎn)），而另一些則 以無定形石墨（即碳納米點(diǎn)）或碳化聚合物片段（即碳化聚合物 點(diǎn)）為碳核?？傮w而言，無論采用何種合成策略，碳點(diǎn)的價(jià)值主 要體現(xiàn)在其可持續(xù)性、穩(wěn)定性、良好的溶解性以及尤為重要的低 毒性。低毒性與可調(diào)性相結(jié)合，使碳點(diǎn)成為生物與醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的 理想候選材料。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控，研究人員能夠精確調(diào)節(jié)碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)以實(shí)現(xiàn)特異性的光學(xué)識(shí)別功能，同時(shí)可通過 修飾分子連接體或標(biāo)記基團(tuán)，將其靶向至生物系統(tǒng)中的特定結(jié)構(gòu) （如抗體、細(xì)胞器、細(xì)胞等）。這不僅在疾病檢測(cè)與生物組織缺 陷成像中極具價(jià)值，在治療領(lǐng)域同樣潛力巨大。碳納米點(diǎn)可搭載 藥物遞送載體，為光動(dòng)力療法、化療等治療手段提供解決方案。 近期，有研究發(fā)現(xiàn)以檸檬酸為前驅(qū)體制備的碳點(diǎn)在治療堿灼傷中 表現(xiàn)出良好療效，顯著縮短了康復(fù)周期。尤為值得注意的是，碳 點(diǎn)的合成過程通常遵循綠色化學(xué)原則，可利用生物質(zhì)等廉價(jià)且豐 富的可再生資源進(jìn)行可持續(xù)制備。此外，碳點(diǎn)的個(gè)性化修飾能力 也推動(dòng)了手性碳點(diǎn)的發(fā)展，為藥物、DNA、氨基酸、糖類及其他 生物分子與活性化合物的檢測(cè)開辟了新途徑。與此同時(shí)，手性碳 點(diǎn)更在光催化、電催化、點(diǎn)擊化學(xué)乃至替代 CRISPR 基因編輯中 的位點(diǎn)選擇性切割反應(yīng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特潛力。盡管目前碳點(diǎn)的 研究仍主要集中于實(shí)驗(yàn)室階段，但隨著全球多家初創(chuàng)企業(yè)與衍生 公司投入其中，其商業(yè)化進(jìn)程正加速推進(jìn)。馬來西亞的 Qarbotech 公司便是典型范例，其開發(fā)的碳點(diǎn)溶液可增強(qiáng)光合作用效率，開 創(chuàng)了碳點(diǎn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用先河。 

納米鏈基生物傳感器（Nanochain biosensors） 

自“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”倡議發(fā)起創(chuàng)立以來，納米技術(shù) 始終位列該榜單之中，約占入選技術(shù)總數(shù)的百分之十。秉承這一 創(chuàng)新理念，納米鏈技術(shù)為生物傳感領(lǐng)域提供了極具廣闊前景的解 決方案。自本世紀(jì)初，研究人員便開始探索融合電學(xué)、電化學(xué)、 光學(xué)及力學(xué)等多種檢測(cè)方法，通過對(duì)一維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾來實(shí) 現(xiàn)對(duì)分子（尤其是小分子與生物分子）的選擇性靈敏檢測(cè)。這些技術(shù)方案采用了多種材料體系，包括金納米顆粒、碳納米管和硅 納米線等。通過對(duì)酶、抗體、蛋白質(zhì)及 DNA 片段等不同“探測(cè) 元件”進(jìn)行修飾，此類納米傳感器的檢測(cè)限已成功降至皮摩爾至 飛摩爾濃度級(jí)別，在特定條件下甚至能夠檢測(cè)到單個(gè)分子。這一 重大突破超越了多數(shù)顯微技術(shù)的檢測(cè)極限，為創(chuàng)新性解決方案的 開發(fā)奠定基礎(chǔ)，納米鏈便是其中的典型代表。納米鏈的設(shè)計(jì)靈感 最初源于對(duì)磁性納米粒子的研究，這類粒子易于自組裝形成有序 且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在部分生命體中也發(fā)現(xiàn)并分離出類似結(jié)構(gòu)。如今， 研究人員已掌握按需制備納米鏈的能力，通過在納米鏈表面修飾 不同功能片段，納米鏈在催化、藥物遞送以及疾病診療等多個(gè)領(lǐng) 域得到了廣泛應(yīng)用。納米鏈的多功能性，不僅使其可根據(jù)表面修 飾實(shí)現(xiàn)不同用途，還為微流控芯片裝置帶來了創(chuàng)新性方案——由 較小顆粒構(gòu)成的微小磁性細(xì)絲，其表面均包裹著抗體等活性探針， 這些納米結(jié)構(gòu)可作為物質(zhì)分離與篩選的工具，若作為納米級(jí)攪拌 棒使用，還能解決試劑混合問題。此外，納米鏈的另一顯著優(yōu)勢(shì) 是能夠增強(qiáng)散射信號(hào)，可將光學(xué)顯微鏡的檢測(cè)限從 200 納米降低 至 50 納米，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒的直接觀測(cè)?；谶@一特性，研究 人員成功研發(fā)出針對(duì)新冠肺炎與流感相關(guān)的 SARS-CoV-2、H1N1 和 H3N2 等病原體的高靈敏度檢測(cè)技術(shù)。通過對(duì)非金屬納米顆粒 構(gòu)成的納米鏈進(jìn)行相關(guān)生物標(biāo)志修飾，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定疾病的 精準(zhǔn)檢測(cè)。在其他研究中，也開發(fā)了用于心臟病、腎臟感染、偏 頭痛及部分腫瘤檢測(cè)的納米鏈生物傳感器。其中部分納米鏈能夠 均勻分散于溶液之中，這一特性有利于定制化生物傳感器的規(guī)模 化生產(chǎn)。盡管納米鏈傳感器的商業(yè)化應(yīng)用目前仍處于早期研究階段，但其已在個(gè)性化即時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域占據(jù)獨(dú)特地位，并在癌癥診療 方面取得了初步成效，有望引領(lǐng)疾病診療領(lǐng)域的創(chuàng)新性變革。 

合成細(xì)胞（Synthetic cells） 

一切源于化學(xué)——包括我們的細(xì)胞。多年來，化學(xué)家和生物 化學(xué)家通過多種方法，試圖在實(shí)驗(yàn)室中重建細(xì)胞。一方面，合成 細(xì)胞可以作為“模擬”或簡化的模型，幫助我們研究和理解生物 學(xué)中的一些基本過程，比如基因表達(dá)、代謝和分子間的相互作用。 另一方面，合成細(xì)胞也可能為生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來變革性的 應(yīng)用，例如用于科研、診斷和治療，具有完全定制的功能。合成 細(xì)胞可以用于藥物的合成與選擇性控制釋放，甚至可發(fā)展出捕集 和利用二氧化碳的新技術(shù)。通常，合成細(xì)胞的構(gòu)建方法可以分為 “自上而下”和“自下而上”兩種。前者是指通過簡化現(xiàn)有的生 命結(jié)構(gòu)，去除不必要的部分，調(diào)控細(xì)胞的組成。美國 J. Craig Venter 研究所的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)采用這種方法成功創(chuàng)造了“第一個(gè)最小化 合成細(xì)胞”，他們將一種特定細(xì)菌的基因組縮短了一半，但其仍 可保持生物活性。這類合成細(xì)胞不僅有助于揭示生命的奧秘，還 能提供個(gè)性化基因表達(dá)的平臺(tái)，從而創(chuàng)造“細(xì)胞工廠”。像基因 工程細(xì)菌一樣，合成細(xì)胞可以用于高效生產(chǎn)化學(xué)品、生物燃料和 藥物。另一方面，“自下而上”的方法則是利用組裝原件拼接構(gòu) 建細(xì)胞，通常使用脂質(zhì)囊泡包裹其他生物分子，包括核酸、蛋白 質(zhì)、酶，甚至簡化版本的細(xì)胞器等。與基因工程和表達(dá)相關(guān)的問 題被簡化，使得細(xì)胞的構(gòu)建變得更加簡單、快速，也更容易實(shí)現(xiàn) 大規(guī)模開發(fā)。人工細(xì)胞的應(yīng)用范圍廣泛，從藥物合成與遞送到生 物反應(yīng)器，甚至可以作為生物“計(jì)算機(jī)”使用。事實(shí)上，人工細(xì)胞的復(fù)雜性已經(jīng)超越了基因表達(dá)的范疇，現(xiàn)在的一些例子甚至能 展示細(xì)胞如何改變形態(tài)、移動(dòng)并進(jìn)行相互溝通等。雖然目前這項(xiàng) 技術(shù)仍處于初期階段，但研究人員對(duì)合成細(xì)胞的潛力充滿信心。 甚至有專家認(rèn)為，mRNA 新冠疫苗和采用脂質(zhì)體封裝的藥物配 方，正是“自下而上”結(jié)構(gòu)的簡單示范，展示了該技術(shù)的巨大潛 力。總體來看，合成細(xì)胞不僅能幫助我們更好地理解生命，還能 夠?yàn)楦纳平】堤峁┙鉀Q方案。 

單原子催化（Single atom catalysis） 

多相催化劑持續(xù)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)多相催化劑中，金 屬作為活性位點(diǎn)分散在活性炭、陶瓷材料等載體上。然而在本世 紀(jì)初，化學(xué)家提出了一個(gè)令人振奮的想法，以實(shí)現(xiàn)更高效、更可 持續(xù)的工業(yè)催化。這是一種能夠結(jié)合多相催化劑能力與酶的精確 性和選擇性的催化方式：單原子催化。與負(fù)載的原子簇或納米粒 子不同，單原子催化劑使用錨定在載體表面的孤立的單個(gè)原子。 因此，每一個(gè)催化位點(diǎn)都完全暴露于反應(yīng)物之中，從而在理論上 實(shí)現(xiàn)了 100%的原子利用率、最大化的反應(yīng)活性，以及或許更為 關(guān)鍵的可持續(xù)性的提升。這不僅源于單原子催化劑更高的效率， 還得益于其對(duì)貴金屬用量的減少以及催化劑的可循環(huán)性的提升 ——研究表明，單原子催化劑在多次回收與循環(huán)反應(yīng)后仍能保持 活性。過去二十年間，研究人員已報(bào)道了涵蓋元素周期表多種元 素的單原子催化劑，不僅包括傳統(tǒng)貴金屬鉑、鈀、銠，也包括豐 度更高的替代金屬，如鐵、鎳、銅等。例如，銅單原子催化劑已 被證明是一種極具潛力的催化劑，可用于電化學(xué)轉(zhuǎn)化二氧化碳生 成高附加值化學(xué)品。此外，單原子催化劑有時(shí)還表現(xiàn)出不同于常規(guī)塊體多相催化劑的獨(dú)特催化性能。這種差異來源于其不同的配 位環(huán)境：單原子的配位結(jié)構(gòu)具有更好的可調(diào)控性和可修飾性，使 活性位點(diǎn)形成獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，從而影響選擇性并抑制副反應(yīng)的 發(fā)生。因此單原子催化劑的反應(yīng)性被稱為“獨(dú)特而多能”。這種 特性使其在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域日益受到關(guān)注，例如 CO2 增值轉(zhuǎn)化為 化學(xué)燃料、水分解制氫以及綠氨合成等。此外，單原子催化劑也 已成功催化一些商業(yè)化反應(yīng)，如 Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)，并正逐步向 更具規(guī)?；头€(wěn)健性的工業(yè)解決方案邁進(jìn)，準(zhǔn)備進(jìn)入大規(guī)模市場(chǎng)。 據(jù)報(bào)道，莊信萬豐（Johnson Matthey）催化劑公司正致力于利用 單原子催化劑開發(fā)可持續(xù)解決方案，而其它供應(yīng)商也已開始提供 應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化、石油精煉及高端合成反應(yīng)的單原子催化劑產(chǎn)品。 目前，最有可能的下一個(gè)前沿方向是手性催化。一些研究已開始 探索進(jìn)一步完善催化“最終前沿”（單原子手性催化）的可能性， 旨在復(fù)刻酶的選擇性和特異性，同時(shí)保持單原子催化劑所具備的 商業(yè)化優(yōu)勢(shì)。 

熱凝膠高分子（Thermogelling polymers） 

聚合物與塑料屢次入選 IUPAC 發(fā)布的“化學(xué)領(lǐng)域十大新興 技術(shù)”榜單。這類材料自 20 世紀(jì)初問世便得到了廣泛使用，并 在解決環(huán)境污染問題中發(fā)揮著重要作用。聚合物科學(xué)的創(chuàng)新通常 能夠顯著提升材料的可持續(xù)性，同時(shí)催生出人意料的新應(yīng)用。熱 凝膠高分子便是一個(gè)典型的例子。這種智能材料僅需溫度這一唯 一觸發(fā)因素，便能自發(fā)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，無需任何化學(xué)交聯(lián)劑 或額外刺激。這一特性使其在化妝品、醫(yī)學(xué)成像、藥物遞送和生 物工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，尤其推動(dòng)了人工組織再生方面的研究。大多數(shù)熱凝膠高分子不僅功能多樣，其設(shè)計(jì)更以生物相 容性為核心。通常情況下，溫度變化會(huì)觸發(fā)線性共聚物首先形成 膠束，繼而構(gòu)建出更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終穩(wěn)定成型。在生物醫(yī) 學(xué)應(yīng)用中，該材料的一大優(yōu)勢(shì)在于其“可注射性”。在液態(tài)（溶 膠狀態(tài)）下，它可以被輕松注入體內(nèi)，隨后在體內(nèi)自發(fā)完成溶膠 到凝膠的逐步轉(zhuǎn)變。例如，在藥物遞送中，凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)活性成 分在靶向區(qū)域的持續(xù)控釋，這在癌癥等復(fù)雜疾病的治療中顯示出 巨大潛力。此外，材料初始為液態(tài)的特性也為 3D 打印帶來了新 機(jī)遇——這一平臺(tái)可用于制備生物相容性的支架，廣泛應(yīng)用于創(chuàng) 面修復(fù)、細(xì)胞培養(yǎng)或類器官構(gòu)建等領(lǐng)域。熱凝膠高分子在眼組織 修復(fù)方面所展現(xiàn)的潛力，堪稱該領(lǐng)域最令人振奮的成果之一。曾 幾何時(shí)，玻璃體一旦受損，幾乎無法修復(fù)或替換，這常引發(fā)視網(wǎng) 膜病變甚至脫落，導(dǎo)致永久性失明。如今研究人員利用熱凝膠高 分子，成功模擬了玻璃體的特殊結(jié)構(gòu)與特性，開發(fā)出兼具相似黏 度與透明度的替代材料，用于修復(fù)視網(wǎng)膜脫離。隨著時(shí)間推移， 這種凝膠可刺激并支撐眼中膠原蛋白、原纖蛋白和玻璃素等天然 結(jié)構(gòu)的再生，從而顯著減少視網(wǎng)膜手術(shù)的并發(fā)癥。目前，針對(duì)此 類高分子的開發(fā)正雙管齊下：一些初創(chuàng)企業(yè)正致力于挖掘此類高 分子的臨床與商業(yè)價(jià)值，而科研界也在積極拓展其在 3D 生物打 印、軟體機(jī)器人以及環(huán)境傳感等新興領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。 

增材制造（Additive manufacturing） 

人們常說，文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)家米開朗基羅只是“看見” 了大理石坯料中蘊(yùn)藏的雕像，而后剔除多余部分，便創(chuàng)作出了如 意大利佛羅倫薩的《大衛(wèi)》雕像這樣的藝術(shù)品。增材制造則恰恰相反，它通過逐層累積材料的方式構(gòu)建物體，從而最大限度地減 少材料浪費(fèi)。由于聚合物和塑料打印在制造業(yè)中的應(yīng)用潛力，“增 材制造”常與“3D 打印”劃等號(hào)。但其他核心技術(shù)同樣采用疊 加原理的工藝也可歸入此范疇。化學(xué)對(duì)于進(jìn)一步提升增材制造的 可持續(xù)性具有關(guān)鍵作用。這既包括通過材料科學(xué)創(chuàng)新研發(fā)具有更 佳生物降解性和可回收性的可打印聚合物、陶瓷及生物基材料， 也涉及開發(fā)墨水、樹脂和絲材等領(lǐng)域的可持續(xù)解決方案，以提升 增材制造工藝本身的韌性與能效。這些研究成果推動(dòng)了例如利用 復(fù)合聚合物及金屬粉末進(jìn)行金屬增材制造方面的進(jìn)展。相較于現(xiàn) 有替代方案，該技術(shù)不僅提升了生產(chǎn)效率，還因未使用溶液易于 回收而減少了廢棄物產(chǎn)生。此外，3D 打印技術(shù)的最新突破為制 造中空高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)（如支架與格柵）創(chuàng)造了可能。工程學(xué)領(lǐng)域的 優(yōu)化有助于制造更輕量化部件，這在機(jī)械制造領(lǐng)域尤其具有應(yīng)用 價(jià)值。在此背景下，增材制造將通過減少材料消耗提升可持續(xù)性， 制造更輕的汽車和飛機(jī)，降低產(chǎn)品全生命周期的碳排放。該技術(shù) 還能通過為實(shí)驗(yàn)室研究人員和創(chuàng)新者開發(fā)新型應(yīng)用，提升化學(xué)領(lǐng) 域自身的可持續(xù)性。增材制造既有助于制造更可持續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備， 又能通過 3D 打印低成本原型機(jī)與演示模型來加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 更重要的是，多數(shù)零部件設(shè)計(jì)圖均以開放獲取形式發(fā)布于資料庫， 這不僅推動(dòng)了創(chuàng)新技術(shù)的快速落地，更構(gòu)建了全球化學(xué)家協(xié)同創(chuàng) 新的生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，贏創(chuàng)、空中客車、Carbon 等大型企業(yè)已 開始布局增材制造領(lǐng)域，為削減二氧化碳排放、推動(dòng)商業(yè)化應(yīng)用 貢獻(xiàn)力量。 

用于結(jié)構(gòu)解析的多模態(tài)大模型（Multimodal foundation  models for structure elucidation） 

人工智能（AI）已成為當(dāng)今的熱門詞匯，甚至在某些語境下 因其對(duì)環(huán)境的影響而帶有負(fù)面含義。然而，AI 的一些創(chuàng)新性應(yīng) 用正在為化學(xué)家的研究帶來實(shí)質(zhì)性便利，不僅能夠加速分析過程， 還能減輕重復(fù)性工作的負(fù)擔(dān)，從而為創(chuàng)造性探索釋放更多時(shí)間— —這一趨勢(shì)早在 2020 年的“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”中已被強(qiáng) 調(diào)。結(jié)構(gòu)解析用分子模型正是其中的典型代表：該類技術(shù)充分融 合了機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)與人工智能方法，能夠以整體化方式解 析來自不同光譜學(xué)手段的數(shù)據(jù)，例如紅外光譜（IR）、核磁共振 （NMR）、紫外光譜（UV）以及質(zhì)譜（MS）等。相較之下，傳 統(tǒng)方法往往僅依賴單一光譜技術(shù)。“多模態(tài)”（multimodal）方法 的核心優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通，使算法能夠建立起對(duì)分子 與材料結(jié)構(gòu)的綜合認(rèn)知。例如，在實(shí)驗(yàn)條件受限、缺乏昂貴儀器 與數(shù)據(jù)庫的實(shí)驗(yàn)室中，該方法可顯著降低結(jié)構(gòu)解析成本——僅依 靠簡單的紅外測(cè)試便可能獲得分子結(jié)構(gòu)信息。模型通過匹配輸入 光譜與現(xiàn)有數(shù)據(jù)點(diǎn)，跨越復(fù)雜模式進(jìn)行比較與學(xué)習(xí)，從而快速指 派最優(yōu)結(jié)構(gòu)。除了使結(jié)構(gòu)解析更加普惠化之外，這類多模態(tài)模型 還具備加速藥物發(fā)現(xiàn)與材料創(chuàng)新的潛力，并可用于污染監(jiān)測(cè)、質(zhì) 量控制及法醫(yī)分析等領(lǐng)域中的過程優(yōu)化。這些模型通常依托于公 開數(shù)據(jù)庫（包括專利數(shù)據(jù)）進(jìn)行訓(xùn)練，以確保算法從標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù) 源中學(xué)習(xí)。盡管目前該領(lǐng)域仍處于起步階段，但已引起如 IBM 等 科技公司的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有模型尚無法完全具備受過訓(xùn)練的化學(xué) 家的推理與創(chuàng)造能力，但隨著相關(guān)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，尤其是在結(jié)構(gòu)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)（如 InChI 與 SMILES）解釋能力的提升方面，模型的 性能將不斷優(yōu)化?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，AI 將進(jìn)一步減輕化 學(xué)家在結(jié)構(gòu)解析中的重負(fù)，使結(jié)構(gòu)確定過程更加智能與高效。 

直接空氣捕集（Direct air capture） 

我們必須利用一切可行方案來應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)。盡管常被質(zhì)疑 為一種補(bǔ)救措施，直接空氣碳捕集已被普遍認(rèn)為是降低大氣中二 氧化碳濃度、減緩氣候變化影響的戰(zhàn)略性解決方案。化學(xué)在解決 直接空氣捕集二氧化碳的核心難題中起著至關(guān)重要的作用，即如 何成功封存一種在大氣中占比僅萬分之四的物質(zhì)。這一濃度足以 引發(fā)氣候變遷，但如此低的濃度也對(duì)碳捕集材料的吸收效率提出 了極高要求。為攻克此難題，化學(xué)家提出了兩種互補(bǔ)的路徑。其 一依賴于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行吸附，即采用氫氧化物、氧化物、硼酸鹽 及胺類等堿性化合物來“捕獲”二氧化碳，通常生成碳酸鹽或類 似鹽類。此法主要弊端在于再生過程能耗過高，需在高溫條件下 進(jìn)行。其二則有賴于金屬有機(jī)框架（MOFs），2019 年化學(xué)領(lǐng)域十 大新興技術(shù)之一。MOFs 具有多孔結(jié)構(gòu)，擁有極高的吸附比表面 積，使其成為選擇性儲(chǔ)存包括 CO?在內(nèi)的氣體分子的理想材料。 通常物理吸附劑對(duì)二氧化碳的捕集效率低于化學(xué)吸附劑，但其再 生過程更簡單，這使 MOFs 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域更具吸引力。當(dāng)然， 化學(xué)家也研究了整合方案——通過在金屬有機(jī)框架上修飾胺類 等活性基團(tuán)。該策略不僅提升了吸附容量，相比于吸附大氣中其 他氣體分子，還增強(qiáng)了對(duì)二氧化碳的選擇性。有很多基于 MOF 的技術(shù)方案已進(jìn)入中試階段，甚至開展工業(yè)示范?？傮w而言，直 接空氣碳捕集在全球范圍內(nèi)已成為碳捕集的重要備選方案。若干成熟度高的工業(yè)示范已將每噸二氧化碳捕集成本降至 100 美元 以下，這已經(jīng)超越了國際能源署的最樂觀預(yù)測(cè)。然而，有研究指 出該技術(shù)尚缺乏規(guī)模擴(kuò)展性與運(yùn)行穩(wěn)定性，Climeworks 與 ?rsted 等企業(yè)部分項(xiàng)目的關(guān)?；驕p產(chǎn)消息也佐證了這一觀點(diǎn)。盡管碳捕 集技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)氣候中和目標(biāo)，但其要成為一種成本可控、可 大規(guī)模推廣的具有競(jìng)爭力的方案，仍有待進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā)與工 藝改進(jìn)。 

電化學(xué)碳捕集與轉(zhuǎn)化（Electrochemical carbon capture and  conversion） 

直接空氣捕集（DAC）技術(shù)提供了一種直接從大氣中捕獲二 氧化碳的途徑，而電化學(xué)方法則進(jìn)一步將捕獲的二氧化碳作為替 代碳源，轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、燃料及其他高附加值產(chǎn)品。電化學(xué)碳捕 集的實(shí)例最早可追溯至 20 世紀(jì) 60 年代至 70 年代，當(dāng)時(shí)主要作 為吸附法的補(bǔ)充技術(shù)。采用電能作為驅(qū)動(dòng)力，不僅可以降低運(yùn)行 成本，還能與太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬惹鍧嵞茉瘩詈?。此外，電?學(xué)過程在性能上往往優(yōu)于傳統(tǒng)熱化學(xué)途徑，有助于降低整體能耗 與環(huán)境影響，因而成為直接空氣捕集技術(shù)的極具吸引力的替代方 案。不僅如此，電化學(xué)方法還能高效釋放二氧化碳?xì)怏w，相比傳 統(tǒng)解吸過程，能耗更低。更重要的是，電化學(xué)技術(shù)為二氧化碳“捕 集—轉(zhuǎn)化—利用”的無縫銜接提供了機(jī)會(huì)：一旦被捕獲，二氧化 碳即可作為碳源，用于制備一氧化碳、甲酸、甲醇、乙烯、長鏈 碳?xì)浠衔锏汝P(guān)鍵化工原料。近年來，越來越多的研究展現(xiàn)了二 氧化碳電化學(xué)還原反應(yīng)（簡稱 eCO2RR）的廣闊前景。自 1985 年 首次報(bào)道 eCO2RR 實(shí)例以來，催化、材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的進(jìn)步已完善了制備小分子化工原料過程，并為更具挑戰(zhàn)性的反應(yīng)（如 碳?xì)浠衔锖铣桑┑於嘶A(chǔ)。在這一領(lǐng)域，以銅、鎳等地球豐 度高的金屬為主體制成的電催化劑已顯示出巨大潛力，能夠?qū)⒍?氧化碳轉(zhuǎn)化為鏈長多達(dá)六個(gè)碳原子的直鏈和支鏈碳?xì)浠衔?。?為一個(gè)新興領(lǐng)域，eCO2RR 目前仍未達(dá)到能與石油煉制中傳統(tǒng)熱 化學(xué)過程相競(jìng)爭的水平。然而，電化學(xué)方法僅依賴電能作為唯一 能源，不僅提高了過程的可持續(xù)性，而且推動(dòng)了化學(xué)品的普及與 就地生產(chǎn)。盡管尚處于早期階段，距離規(guī)?；c工業(yè)應(yīng)用尚遠(yuǎn)， 但 eCO2RR 仍被視為一種以可持續(xù)方式生產(chǎn)高附加值化學(xué)品的 有前景的替代方案。總體而言，盡管電化學(xué)方法是一種新興的二 氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化技術(shù)，但其在推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展與循環(huán)經(jīng)濟(jì)、減 緩氣候變化影響方面的潛力顯而易見。進(jìn)一步的研究無疑將揭示 和催生更多創(chuàng)新成果，推動(dòng)二氧化碳從廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)原料， 使其成為化學(xué)工業(yè)制造過程的關(guān)鍵起始材料。 

結(jié)論 

在連續(xù)開展評(píng)選的第七年，IUPAC“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)” 倡議繼續(xù)關(guān)注可持續(xù)性與循環(huán)性，將新的創(chuàng)新理念聯(lián)系起來，共 同邁向更加綠色的未來，同時(shí)也持續(xù)高度關(guān)注有助于改善人類健 康的新方法的開發(fā)?？傮w而言，2025 年度“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技 術(shù)”的評(píng)選由專家委員會(huì)從全球提名中精心遴選，延續(xù)了自 2019 年首份榜單以來的精神——彰顯化學(xué)及化學(xué)家在應(yīng)對(duì)最緊迫社 會(huì)問題中所蘊(yùn)含的巨大潛力。 這一倡議旨在聚焦全球范圍內(nèi)仍處于早期發(fā)展階段的多樣 化技術(shù)，以提升其知名度，促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)移與市場(chǎng)化應(yīng)用。本屆評(píng)選范圍擴(kuò)展至七十項(xiàng)技術(shù)，展示了化學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造力的多樣性與廣 泛性。IUPAC 希望通過將這些高度創(chuàng)新的理念推向聚光燈下，進(jìn) 一步激勵(lì)跨學(xué)科合作，加速向更加可持續(xù)與公平的世界邁進(jìn)。 

致謝 

作者謹(jǐn)向所有為 2025 年度“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”提供 創(chuàng)意與提案的人士表示感謝，并感謝參與最終評(píng)選的專家評(píng)審團(tuán) 成員，包括：Ehud Keinan、Javier García Martínez、Arasu Ganesan、 Molly Shoichet、Juliane Sempionatto、Mamia El-Rhazi、Jorge Alegre  Cebollada、Bernard West、Natalia Tarasova、Zhigang Shuai（帥志 剛）、Rai Kookana 以及 Kira Welter。特別感謝 Michael Dr?scher， 他不僅擔(dān)任評(píng)審委員，還自 2019 年項(xiàng)目創(chuàng)立以來持續(xù)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào) 該項(xiàng)工作；同時(shí)感謝 Fabienne Meyers 在編輯過程中給予的全力 支持與耐心。當(dāng)然，也要向 Bonnie Lawlor 致以特別的謝意，感 謝她在組織會(huì)議、記錄紀(jì)要以及修改稿件方面所展現(xiàn)出的無限耐 心，使得本文的可讀性與質(zhì)量得到了顯著提升。