Innovationen in der Chemie ermöglichen die Entwicklung von Lösungen in allen Branchen.

In den letzten Jahren haben Chemiker aus der ganzen Welt bemerkenswerte Technologien und Innovationen auf ihren jeweiligen Gebieten vorgeschlagen. Ein Expertenteam, das von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) rekrutiert wurde, hat die Vorschläge geprüft und die innovativsten und bahnbrechendsten ausgewählt – vielversprechende Ideen mit ausgezeichneten Realisierungschancen. Die aufstrebenden Schlüsseltechnologien in der Chemie stehen auch im Einklang mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen.

Dual-Ionen-Batterien

Die Verknappung von Lithium (Li) und Kobalt (Co) schränkt künftige Entwicklungen ein und steht zudem im Widerspruch zu SDG 12 über nachhaltige Produktionsmuster. Daher ziehen neuere Geräte wie Dual-Ionen-Batterien (DIBs) die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich.

DIBs stellen somit eine interessante Alternative für Netzspeicheranwendungen dar. Darüber hinaus werden ihre Elektroden aus billigen und reichlich vorhandenen Materialien auf umweltfreundlicheren Wegen hergestellt.

Aggregations-induzierte Emission

Lumineszierende Materialien sind heute allgegenwärtig: von LEDs bis hin zu Bioimaging-Techniken. Da die meisten dieser Substanzen eine Vielzahl von aromatischen Hälften haben, neigen die Moleküle dazu, sich in hohen Konzentrationen anzuhäufen, was schließlich die Lumineszenz tötet. Wir kennen diesen Effekt als Auslöschung durch Anhäufung.

Die AIE hat bei der Entwicklung lumineszierender Materialien Neuland betreten – sie hat bereits Anwendungen in OLED-Geräten, Sensoren und neuen Bioimaging-Tools gefunden. Die New York Times hat das Potenzial der AIE hervorgehoben, schon bald die reale Welt zu erreichen.

Mikrobiom und bioaktive Verbindungen

In unserem Darm, unseren Atemwegen und unserer Haut leben mehr als 10 Billionen Mikroben. Unser Mikrobiom verändert möglicherweise unser Verhalten und die Forschung deutet darauf hin, dass es auch Krankheiten wie Krebs auslösen und unsere Reaktion auf eine Behandlung bestimmen kann. All diese Bakterien setzen als Reaktion auf verschiedene Reize in ihrer Umgebung ständig Stoffwechselprodukte frei. Die Chemie kann eine Schlüsselrolle beim Screening und der Identifizierung all dieser verschiedenen Moleküle spielen, die schließlich isoliert und als neue therapeutische Kandidaten verwendet werden können.

Das mikroskopische Leben in unserem Inneren ist ungeheuer vielfältig. Chemiker und Biochemiker finden in den Genomen von Bakterien eine Unzahl neuer bioaktiver Verbindungen, die dort kodiert sind. Somit trägt die Chemie direkt zum SDG 3 bei. Das heißt, das Verständnis und die Entschlüsselung der Geheimnisse unseres Mikrobioms können die Zukunft der Gesundheit revolutionieren.

Wie wir sehen, finden wir mithilfe der Chemie intelligente und nachhaltige Lösungen, um die Lebensqualität der Menschheit zu verbessern. Daher ist die Chemie Nachhilfe von größter Bedeutung, um die Chemiker auszubilden, die die Zukunft unserer Gesellschaft sein werden.

Liquid Gating Technologie

Die Idee, Flüssigkeiten als strukturelles Material zu verwenden, um reaktionsfähige Gates zu bauen, scheint kontraintuitiv – sie grenzt sogar an Science Fiction. Doch diese Idee, die ursprünglich 2015 vorgeschlagen wurde, ist bereits Realität geworden und könnte schon bald viele neue Anwendungen hervorbringen. Normalerweise funktionieren Flüssigkeitsmembranen aufgrund von Konzentrations- und Potenzialunterschieden entlang der Grenze. Flüssigkeitsdurchlässige Membranen reagieren jedoch auf Druckänderungen, die von der Kapillarität abhängen. Auf der Mikroskala ermöglicht dieses Phänomen bestimmten Flüssigkeiten, die Poren bei Bedarf selektiv zu öffnen und zu schließen.

Die Liquid-Gating-Technologie könnte unter anderem den Fortschritt bei der Verwirklichung des SDG 6 beschleunigen, das den Zugang zu sauberem Trinkwasser und sanitären Einrichtungen für alle Menschen gewährleisten soll. Da Flüssigkeitsschleusen keinen Strom benötigen, sorgen sie außerdem für große Energieeinsparungen.

Anorganische Chemie unter hohem Druck

Wir alle verhalten uns unter Druck unterschiedlich. Chemikalien sind da keine Ausnahme, und die außergewöhnlichsten Phänomene treten unter extremen Bedingungen auf. So haben Forscher zum Beispiel Benzol auf superstarke Diamant-Nanodrähte gepresst und metallischen Wasserstoff hergestellt. Die Hochdruckwissenschaft ist nicht länger eine Nische. Die neuesten technologischen Fortschritte machen es möglich, Proben in Hochdruckumgebungen genau zu beobachten und unser Verständnis von Materialien zu verbessern.

Die Hochdruckchemie wird unter diesen Bedingungen sehr komplex. Aber gleichzeitig wird sie auch sehr interessant. Die Entdeckung der Umwandlungen, die unter ultrahohem Druck stattfinden, kann zu neuen molekularen Spezies und neuen Materialien mit noch nie dagewesenen Eigenschaften führen, wie z.B. Supraleitfähigkeit bei Raumtemperatur oder Superhärte. Außerdem können einige der gewonnenen Erkenntnisse auf Prozesse bei Raumdruck übertragen werden.

Makronome für ein besseres Kunststoffrecycling

Die Chemie spielte eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung künstlicher Polymere – langlebige, vielseitige Materialien, die unsere Zivilisation verändert haben. Diese Langlebigkeit hat sich jedoch gegen uns gewendet: Die Bausteine des 20. Jahrhunderts sind jetzt überall, sammeln sich in unseren Mülldeponien an und verschmutzen unsere Ozeane. Einige Experten sagen voraus, dass bis 2050 die Gesamtmenge an Plastik in den Ozeanen mehr wiegen wird als die Gesamtmenge an Fisch.  Jetzt müssen die Chemiker eine Lösung finden.

Umgestaltete Monomere und Makromonomere sind eine vielversprechende Strategie, um nachhaltigere Kunststoffe herzustellen. Chemiker setzen auf radikalische Ringöffnungsreaktionen, die es ihnen ermöglichen, Heteroatome und funktionelle Gruppen – wie Ester – in Strukturen einzubauen, die traditionell eine reine Kohlenstoffstruktur haben.

Die daraus resultierenden Polymere sind leichter zu hydrolysieren und zu recyceln. In jüngster Zeit haben mehrere Gruppen diese Technologie optimiert und eine breite Palette an biologisch abbaubaren Kunststoffen entwickelt, die die attraktiven Eigenschaften herkömmlicher Polymere beibehalten. Aus einem weitverbreiteten Lacton haben die Forscher ein starkes und stabiles Polymer entwickelt, das unter moderaten Bedingungen wiederholt recycelt werden kann.

Künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz (KI) ist dabei, unsere Gesellschaft zu verändern. Ihr Marktwert wächst exponentiell, da sie im Finanzwesen, in der Justiz, im Transportwesen und sogar im Gesundheitswesen Anwendung findet. Die Chemie ist da keine Ausnahme. Forscher trainieren Algorithmen, um die Strukturaufklärung zu beschleunigen, die retrosynthetische Analyse zu verbessern, optimierte Reaktionsfolgen zu entwerfen, neue Medikamente zu entdecken und sogar futuristische Roboterlabors zu betreiben. Die Möglichkeiten sind endlos.

Die Anwendungen der KI in der Chemie stehen erst am Anfang.  Forscher sagen voraus, dass KI ein enormes Potenzial hat. Sie erwarten unter anderem, dass chemische Reaktionen besser reproduzierbar, leichter skalierbar und schließlich umweltfreundlicher und effizienter sein werden. Jüngste Studien deuten sogar darauf hin, dass KI einen positiven Einfluss auf die Erreichung der SDGs hat – sie ermöglicht 134 Ziele in allen Bereichen.

Fazit

Die Chemie bietet uns ein unbegrenztes Instrumentarium, um unsere Welt in eine sicherere und nachhaltigere Zukunft umzugestalten. Vom Entwurf effizienterer Tests bis hin zur Entwicklung einer erfolgreichen Behandlung wird die Chemie bei der Bewältigung der aktuellen COVID-19-Pandemie, einer der schwierigsten Herausforderungen, denen sich unsere Gesellschaft in den letzten Jahrzehnten stellen musste, eine entscheidende Rolle spielen.

09.02.2023

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