交叉光刻体积打印

Xolography

交叉光刻体积打印（Xolography） 技术，代表着3D打印领域的一项重要突破。其命名本身揭示了核心理念：通过交叉（X）光束书写（graphy）出一个完整（holos）的三维物体。Xolography 最早于2020 年提出，它融合了光化学与材料科学，能够以极高的精度和前所未有的细节水平打印聚合物。

这项技术有望彻底革新塑料制品的生产方式，能够以打印级精度构建复杂结构，同时避免传统逐层打印方法的繁琐与耗时。总体来看，该方案克服了传统聚合物 3D 打印（尤其在互连部件制造方面）的诸多局限。 除高精度之外，Xolography 还具备令人瞩目的打印速度。部分研究表明，其打印速度较传统方法提升了数个数量级，能够在数秒内完成结构制造，而逐层打印机通常需耗时三十分钟以上。此外，该领域的最新进展已实现连续打印过程，甚至在微重力环境下亦能取得理想效果。

碳点

Carbon dots

碳点作为一种更环保的替代材料，通常还具有更优异的生物相容性。其优势主要源于结构的可个性化设计，研究人员可以通过简便的官能化与表面修饰策略，赋予碳点在传感、生物成像、药物递送、催化、太阳能电池以及能源储存等领域的多种应用潜能。无论采用何种合成策略，碳点的价值主要体现在其可持续性、稳定性、良好的溶解性以及尤为重要的低毒性。低毒性与可调性相结合，使碳点成为生物与医学应用中的理想候选材料。通过合理的结构设计与调控，研究人员能够精确调节碳点的荧光性质以实现特异性的光学识别功能，同时可通过修饰分子连接体或标记基团，将其靶向至生物系统中的特定结构（如抗体、细胞器、细胞等）。这不仅在疾病检测与生物组织缺陷成像中极具价值，在治疗领域同样潜力巨大。碳纳米点可搭载药物递送载体，为光动力疗法、化疗等治疗手段提供解决方案。 

尽管目前碳点的研究仍主要集中于实验室阶段，但随着全球多家初创企业与衍生公司投入其中，其商业化进程正加速推进。

纳米链基生物传感器

Nanochain biosensors

纳米链的设计灵感最初源于对磁性纳米粒子的研究，这类粒子易于自组装形成有序且稳定的结构，在部分生命体中也发现并分离出类似结构。如今，研究人员已掌握按需制备纳米链的能力，通过在纳米链表面修饰不同功能片段，纳米链在催化、药物递送以及疾病诊疗等多个领域得到了广泛应用。纳米链的多功能性，不仅使其可根据表面修饰实现不同用途，还为微流控芯片装置带来了创新性方案——由较小颗粒构成的微小磁性细丝，其表面均包裹着抗体等活性探针，这些纳米结构可作为物质分离与筛选的工具，若作为纳米级搅拌棒使用，还能解决试剂混合问题。

尽管纳米链传感器的商业化应用目前仍处于早期研究阶段，但其已在个性化即时检测领域占据独特地位，并在癌症诊疗方面取得了初步成效，有望引领疾病诊疗领域的创新性变革。

合成细胞

Synthetic cells

多年来，化学家和生物化学家通过多种方法，试图在实验室中重建细胞。一方面，合成细胞可以作为“模拟”或简化的模型，帮助我们研究和理解生物学中的一些基本过程，比如基因表达、代谢和分子间的相互作用。 另一方面，合成细胞也可能为生物技术和医学领域带来变革性的应用，例如用于科研、诊断和治疗，具有完全定制的功能。合成细胞可以用于药物的合成与选择性控制释放，甚至可发展出捕集和利用二氧化碳的新技术。通常，合成细胞的构建方法可以分为“自上而下”和“自下而上”两种。前者是指通过简化现有的生命结构，去除不必要的部分，调控细胞的组成。

虽然目前这项技术仍处于初期阶段，但研究人员对合成细胞的潜力充满信心。甚至有专家认为，mRNA新冠疫苗和采用脂质体封装的药物配方，正是“自下而上”结构的简单示范，展示了该技术的巨大潜力。总体来看，合成细胞不仅能帮助我们更好地理解生命，还能够为改善健康提供解决方案。

单原子催化

Single atom catalysis

这是一种能够结合多相催化剂能力与酶的精确性和选择性的催化方式：单原子催化。与负载的原子簇或纳米粒子不同，单原子催化剂使用锚定在载体表面的孤立的单个原子。因此，每一个催化位点都完全暴露于反应物之中，从而在理论上实现了100%的原子利用率、最大化的反应活性，以及或许更为关键的可持续性的提升。这不仅源于单原子催化剂更高的效率， 还得益于其对贵金属用量的减少以及催化剂的可循环性的提升 ——研究表明，单原子催化剂在多次回收与循环反应后仍能保持活性。

过去二十年间，研究人员已报道了涵盖元素周期表多种元素的单原子催化剂，不仅包括传统贵金属铂、钯、铑，也包括丰度更高的替代金属，如铁、镍、铜等。例如，铜单原子催化剂已被证明是一种极具潜力的催化剂，可用于电化学转化二氧化碳生成高附加值化学品。目前，最有可能的下一个前沿方向是手性催化。一些研究已开始探索进一步完善催化“最终前沿”（单原子手性催化）的可能性， 旨在复刻酶的选择性和特异性，同时保持单原子催化剂所具备的商业化优势。

热凝胶高分子

Thermogelling polymers

大多数热凝胶高分子不仅功能多样，其设计更以生物相容性为核心。通常情况下，温度变化会触发线性共聚物首先形成胶束，继而构建出更复杂的网络结构，最终稳定成型。在生物医学应用中，该材料的一大优势在于其“可注射性”。在液态（溶 胶状态）下，它可以被轻松注入体内，随后在体内自发完成溶胶到凝胶的逐步转变。

热凝胶高分子在眼组织修复方面所展现的潜力，堪称该领域最令人振奋的成果之一。曾几何时，玻璃体一旦受损，几乎无法修复或替换，这常引发视网膜病变甚至脱落，导致永久性失明。如今研究人员利用热凝胶高分子，成功模拟了玻璃体的特殊结构与特性，开发出兼具相似黏度与透明度的替代材料，用于修复视网膜脱离。随着时间推移， 这种凝胶可刺激并支撑眼中胶原蛋白、原纤蛋白和玻璃素等天然结构的再生，从而显著减少视网膜手术的并发症。目前，针对此类高分子的开发正双管齐下：一些初创企业正致力于挖掘此类高分子的临床与商业价值，而科研界也在积极拓展其在3D生物打印、软体机器人以及环境传感等新兴领域的应用边界。

增材制造

Additive manufacturing

增材制造通过逐层累积材料的方式构建物体，从而最大限度地减少材料浪费。由于聚合物和塑料打印在制造业中的应用潜力，“增材制造”常与“3D打印”划等号。但其他核心技术同样采用叠加原理的工艺也可归入此范畴。化学对于进一步提升增材制造的可持续性具有关键作用。这既包括通过材料科学创新研发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， 也涉及开发墨水、树脂和丝材等领域的可持续解决方案，以提升增材制造工艺本身的韧性与能效。这些研究成果推动了例如利用复合聚合物及金属粉末进行金属增材制造方面的进展。相较于现有替代方案，该技术不仅提升了生产效率，还因未使用溶液易于回收而减少了废弃物产生。

增材制造既有助于制造更可持续的实验设备，又能通过3D打印低成本原型机与演示模型来加速产业化进程。 更重要的是，多数零部件设计图均以开放获取形式发布于资料库，这不仅推动了创新技术的快速落地，更构建了全球化学家协同创新的生态系统。

用于结构解析的多模态大模型

Multimodal foundation models for structure elucidation

该类技术充分融合了机器学习、深度学习与人工智能方法，能够以整体化方式解 析来自不同光谱学手段的数据，例如红外光谱（IR）、核磁共振 （NMR）、紫外光谱（UV）以及质谱（MS）等。“多模态”（multimodal）方法的核心优势在于数据之间的互联互通，使算法能够建立起对分子与材料结构的综合认知。

现有模型尚无法完全具备受过训练的化学家的推理与创造能力，但随着相关技术持续创新，尤其是在结构表达标准（如InChI与SMILES）解释能力的提升方面，模型的性能将不断优化。可以预见，在不久的将来，AI将进一步减轻化学家在结构解析中的重负，使结构确定过程更加智能与高效。

直接空气捕集

Direct air capture

直接空气碳捕集已被普遍认为是降低大气中二氧化碳浓度、减缓气候变化影响的战略性解决方案。化学在解决直接空气捕集二氧化碳的核心难题中起着至关重要的作用，即如何成功封存一种在大气中占比仅万分之四的物质。这一浓度足以引发气候变迁，但如此低的浓度也对碳捕集材料的吸收效率提出了极高要求。

尽管碳捕集技术有助于实现气候中和目标，但其要成为一种成本可控、可大规模推广的具有竞争力的方案，仍有待进一步的技术研发与工艺改进。

电化学碳捕集与转化

Electrochemical carbon capture and conversion

电化学方法则进一步将捕获的二氧化碳作为替 代碳源，转化为化学品、燃料及其他高附加值产品。电化学碳捕集的实例最早可追溯至20世纪60年代至70年代，当时主要作为吸附法的补充技术。采用电能作为驱动力，不仅可以降低运行成本，还能与太阳能、风能、地热等清洁能源耦合。此外，电化学过程在性能上往往优于传统热化学途径，有助于降低整体能耗与环境影响，因而成为直接空气捕集技术的极具吸引力的替代方案。不仅如此，电化学方法还能高效释放二氧化碳气体，相比传统解吸过程，能耗更低。更重要的是，电化学技术为二氧化碳“捕集—转化—利用”的无缝衔接提供了机会：一旦被捕获，二氧化碳即可作为碳源，用于制备一氧化碳、甲酸、甲醇、乙烯、长链 碳氢化合物等关键化工原料。

尽管尚处于早期阶段，距离规模化与工业应用尚远，但 eCO2RR仍被视为一种以可持续方式生产高附加值化学品的有前景的替代方案。总体而言，尽管电化学方法是一种新兴的二氧化碳捕集与转化技术，但其在推动可持续发展与循环经济、减缓气候变化影响方面的潜力显而易见。进一步的研究无疑将揭示和催生更多创新成果，推动二氧化碳从废弃物转变为基础原料，使其成为化学工业制造过程的关键起始材料。