化学2021:研究趋势、年度分子、年度数字、古怪的发现、明年研究趋势预测

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2021年研究趋势

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塑料回收研究突飞猛进


2021年,塑料回收再利用获得了新的活力。化学家们正在研究塑料回收问题的许多方面,例如如何用催化剂分解塑料、塑料的机械回收及重新思考新型塑料的制造。Weckhuysen表示塑料已经进入了一个循环思维阶段,在这个阶段里,科学家们在设计这些聚合物的阶段里会重点关注材料在使用后的循环利用。


01 聚合物单体循环利用

康奈尔大学化学家Geoffrey W. Coates和同事们合成了一种聚 (1,3-二氧戊环),化学家可将其分离成单体,并能将单体从塑料混合物中回收(Science 2021,DOI:10.1126/Science.abh0626)。聚缩醛聚合物本身在高达 325 °C 的温度下是稳定的。但在研究人员添加强酸催化剂后,他们可以在 73 °C 以上将聚合物分解成单体。单体在这个温度下处于液态,这使得团队很容易将其与固体塑料分开。研究人员在回收桶中进行挑选,这些样品含有标签、胶水等,将他们发现的塑料切碎,然后将混合物与聚合物一起倒入烧瓶中,以测试分离被破坏的单体的难易程度,最终研究小组回收了98%的单体。


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02 环张力
无机化学家Bert Weckhuysen表示制造稳定且持久的物质是有利的。但是如何制造一个可降解但又稳定的东西呢?阿克伦大学王军鹏教授和他的同事们开发了一种聚合物,科学家们可以借助聚合物分子内部的环张力将其分解为单体(Nat. Chem. 2021, DOI:10.1038/s41557-021-00748-5)。

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03 咀嚼塑料
加州大学伯克利分校的化学工程师徐婷及其合作者的研究成功制成两者兼备的塑料。该研究小组将咀嚼塑料酶包裹在一层保护涂层中,并在制造过程中将所产生的纳米粒子加入到聚己内酯和聚乳酸塑料中(Nature 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03408-3)。当研究人员将这些塑料暴露在湿热或紫外线下时,保护层就会破裂,释放出酶。根据聚合物和温度的不同,研究小组在30小时内分解出98%的聚合物。解聚过程留下的乳酸可倒入排水沟或添加到花园中。

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分散在聚己内酯中的包封酶可以加速材料在热和湿度存在下的分解。照片显示的材料堆肥前后3天(图片来源:Nature)
更精确的分子编辑策略
分子编辑在2021年取得了成功,化学家们展示了精确的分子重塑策略。当化学家构建候选药物时,设计过程中有一个方面就像是在黑暗中挣扎。“如果它有一个五元环而不是一个六元环,这个分子会更适合它的目标吗?如果在特定的地点有氮而不是碳呢?”这种微妙的调整很容易在纸上进行,但经常需要化学家从头开始构建重新设计大的分子。分子编辑旨在实现在复杂分子中选择性地插入、删除或交换原子的反应。
01 氮缺失化学将吡咯烷酮转化为环丁烷
芝加哥大学Mark D. Levin实验室的化学家开发了一种反应,可以将氮从二级胺中分离出来,例如化学家可以从吡咯烷酮中生产环丁烷(Nature 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03448-9)。
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02 吲哚转化为喹啉
Levin的实验室还报道了一种可以将碳添加到某些含氮环上的反应,将吲哚转化为喹啉(J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI:10.1021/jacs.1c06287)。

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03 蓝光重排四氢吡喃生成环戊醇
RichmondSarpong在加州大学伯克利分校的实验室发现了一种光动力重排,它将含有6个原子的饱和杂环转变为含有侧链氨、醇或硫醇的五碳环。(Science 2021, DOI:10.1126/science.abi7183)。
 

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蛋白质结构预测达到新高度
结构和计算生物学家在利用人工智能技术能够取一个蛋白质序列并预测其折叠方式,这对于帮助科学家更好地理解生物系统至关重要。2020年11月底,人工智能公司DeepMind在CASP展示了一种名为AlphaFold算法的人工智能工具,该工具可以预测与传统结构生物学技术所能获得的蛋白质结构相匹配的蛋白质结构,这是评估此类预测算法的黄金标准。该领域的其他计算化学家被AlphaFold的成功所激发。

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个别的蛋白质(以不同的颜色显示)结合在一起形成复合物。新出现的建模技术已经被用来预测这些结构(图片来源:IanHaydon/UW Medicine Institute for Protein Design)
欧洲分子生物学实验室(EMBL)的SameerVelankar及其同事与DeepMind合作,使用AlphaFold代码预测大量未知的蛋白质结构,并创建数据库来保存它们(Nature 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03828-1)。与此同时,华盛顿大学DavidBaker的团队改进了其预测算法,并为研究人员提供了使用代码(Science 2021,DOI:10.1126/Science.abj8754)。

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人类白细胞介素-12与受体结合的结构,与RoseTTAFold软件所预测一致(图片来源:IanHaydon/UW Medicine Institute for Protein Design)
最近,研究小组在预测蛋白质与蛋白质的相互作用和蛋白质复合物的结构方面取得了重要进展。Baker的研究小组在酵母蛋白质组(Science2021,DOI:10.1126/Science.abm4805)中研究了这类蛋白质复合物,欧洲生物信息学研究所的Pedro Beltrao与斯德哥尔摩大学的ArneElofsson合作使用了与人类蛋白质组有关的数据(BioRxiv 2021,DOI:10.1101/2021.11.08.467664)。这些最新进展为科学家提供更多研究生物系统分子细节的工具。
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AlphaFold预测这种结构为RNA聚合酶Ⅱ转录亚基23的中介体(图片来源:DeepMind)
科学家们在新冠肺炎失误中吸取的教训
科学家对COVID-19大流行病的反应迅速而有力。全球各学科的研究者都把注意力转向了抗击病毒和拯救生命,其结果是对科学的功劳。安全有效的疫苗在不到一年的时间内就有了,新的治疗方法不断出现。但也有存在着失误,科学政策和科学交流方面的专家不会因为实验室中的错误而指责科学家;这些失误在任何时候都是正常的,特别是在研究的早期阶段。具体介绍如下:
01 结构问题

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冠状病毒结构任务组发现SARS-CoV-2蛋白模型有错误(左),并纠正它们(右) (图片来源:Tristan Croll/Coronavirus Structural Task Force)
2020年1月初科学家破译了新冠肺炎的SARS-CoV-2病毒的基因组序列(Nature 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2008-3)。但是只有准确的蛋白质的结构才能帮助科学家和医生开发疫苗和治疗学。这一结构存在不合适的氨基酸侧链,不利的空间相互作用等错误。不准确的结构会阻碍药物设计者的工作。缺乏经验或专门知识的研究人员无法检查模型的准确性。在急于应对新冠肺炎大流行时,这一问题进一步加剧。为了解决这个问题,工作队呼吁结构生物学界改变其共享数据和文档以及解决结构错误的方式(Nat. Struct. Mol. Biol.2021, DOI: 10.1038/s41594-021-00593-7)。
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计算科学家们从新冠肺炎大流行的最初几个月开始就建立了SARS-CoV-2尖峰蛋白的详细模型(图片来源:Lorenzo Casalino, Amaro Lab)
02 改用的药物
药物开发商早期研究的一些治疗药物被证明对新冠肺炎有帮助,如单克隆抗体治疗和抗病毒药物,包括雷莫司韦。但许多其他分子未能兑现它们最初的承诺。最突出的例子是羟基氯喹。时至今日,美国前总统Donald J.Trump将其推广为治疗新冠肺炎的药物,羟基氯喹和其他近24种药物的进一步研究发现,这些化合物会伤害受感染的细胞,但不能阻止病毒的传播(Science 2021,doi:10.1126/Science.abi4708)。计算化学家也尝试寻找新冠肺炎疗法,但没有成功。数百项已发表的计算研究缺乏严谨性,特别是未能将计算结果与实验室研究(化学研究)相结合(Chem.Soc. Rev. 2021, DOI: 10.1039/d0cs01065k)。
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一些重新利用的药物,如羟基氯喹,早期显示出对抗 SARS-CoV-2 的希望,但大多数被证明是无效的治疗方法。
03 废水监测

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公共卫生官员可以测试废水以发现新冠肺炎的爆发,但这项技术是有局限性的(图片来源:Shutterstock)
除了治疗COVID-19,废水监测作为早期捕获COVID-19暴发的一种相对廉价的方法应运而生,因为在感染者出现症状之前病毒粒子会出现在粪便中。到2021年下半年,研究者开始看到这种方法的局限性。科学家可以从废水数据中计算案例数,但不是很精确。尽管如此,废水监测科学家们表示,在COVID-19大流行期间所吸取的教训和安装的设备将使该技术成为一个有用的公共卫生工具。


2021年度六大最“酷”分子!无穷大分子夺冠


C&EN编辑团队Celia重点报道了今年与COVID-19无关的6大年度最“酷”分子代表着全球化学家在这一年里取得的突破与成就。包括了二维材料硼烯氢化锕系元素的探索结构分子手性季铵盐的合成、以及生物化学重大发现——糖基RNA。具体介绍→2021年度六大最“酷”分子!经过投票,最终结构分子脱颖而出,成为2021年最受欢迎的分子。

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网友对2021年最酷分子的投票结果
2021年令人印象深刻的数字
 30.55亿
全人类基因组中碱基对的数目。研究人员利用新的测序技术填补了人类基因组中剩下的最后一个漏洞。这些间隙主要是与调控和其他功能相关的高度重复片段,而不是蛋白质编码区(BioRxiv2021,DOI:10.1101/2021.05.26.445798)。
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人类染色体 (图片来源:Science)
 2.4 Å
根据氟化氢与氟离子反应的模拟,研究了氢键转变为共价键过程中原子之间的距离。这项研究预测氢键和共价键之间的界限比先前想象的更模糊(Science 2021, DOI: 10.1126/science.abe1951)。
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 80
与以往相比,锂离子纤维电池批量生产线轴的重量储能相对提高(自然2021,DOI:10.1038/s41586-021-03772-0)。这些纤维电池被设计集成到纺织品中。
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高安全性的纤维锂离子电池织物为手机无线充电
 1/2
在加利福尼亚州西奥克兰以西班牙裔和黑人为主的社区,儿童哮喘病例中可归因于空气污染的比例。相比之下,空气污染与整个海湾地区(周围地区)五分之一的哮喘病例有关(Environ.Health Perspect. 2021, DOI: 10.1289/EHP7679)。
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空气污染与儿童哮喘有关(图片来源:Shutterstock)
 78 nm
显微镜的分辨率,将受激拉曼散射和膨胀显微镜结合起来,在没有荧光标记的情况下产生生物样品的超分辨率成像。加州理工学院魏璐助理教授团队使用这种方法来观察正在分裂的细胞、小鼠海马和斑马鱼胚胎视网膜,分辨率可以达到78nm (Nat.Commun. 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-23951-x)。

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用于脑海马组织特定和多分量成像的无标记 VISTA 预测
 586
这是一种稳定的五原子分子,如果周期表中最重的两种元素相互作用的话,它将形成稳定的五原子分子。研究人员用相对论量子计算来预测这个四面体分子是稳定的(Theor.Chem. Acc. 2021, DOI: 10.1007/s00214-021-02777-2)。
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(4个Ts和1个Og构成的四面体分子最稳定,分子量为586.图片来源:Theor. Chem. Acc.)
 15–30 cm
政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)的第六份评估报告显示,到本世纪中叶,无论温室气体排放量如何减少,世界都将经历海平面上升。

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全球温度变化图(图片来源:Patterson Clark/Politico Pro DataPoint)
0.5 Gg
预测20世纪70年代来自海洋的三氯氟甲烷(CFC-11)年净排放量。该化合物的生产在2010年被禁止,但多年来海洋吸收了大量的CFC-11。科学家们现在估计,海洋是大气中化合物的一个重要和日益增长的来源(Proc.Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2021, DOI: 10.1073/pnas.2021528118)。
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南极上空的臭氧空洞(图片来源:NASA Ozone Watch)
 800–1,300 V
碘基离子驱动器中用于加速I+和I2+等离子体的电压,在航天器上作为推进器进行了测试。太空探测器上的其他离子驱动器使用昂贵的氙气作为离子源,但碘价格低廉,储量丰富。研究人员在一颗轨道卫星上展示了碘动力推进器,并发现它的性能与氙气推进器一样好。

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碘基离子驱动(图片来源:ThrustMe)
 <10 kg
截至2021年6月,所有SARS-CoV-2在人体中的质量。研究人员用新冠肺炎的不同组织中典型的病毒载量来估计当时病毒的总质量在100克到10公斤之间(Proc.Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2021, DOI: 10.1073/pnas.2024815118)。

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Sars-CoV-2尖峰蛋白(图片来源:Jason McLellan/University of Texas at Austin)
2021年好玩的化学古怪发现
01 蛇吐毒液会痛
利物浦热带医学院收集的大多数毒蛇通过毒液通过毒牙注射来固定和杀死猎物。但是有些蛇通过吐毒液来保护自己不受食肉动物的侵害,可能会引起疼痛、炎症和失明。研究人员发现了毒液是如何产生这样一击的:吐蛇毒液中的分子鸡尾酒含有高水平的蛋白质,可以增加疼痛的感觉(Science 2021, DOI: 10.1126/science.abb9303)。研究小组发现,虽然每条蛇的毒液都有独特的毒素混合物,但所有吐毒液的蛇在其毒液中的磷脂酶A2(PLA2)酶含量都高于不吐毒液的蛇。在对小鼠神经细胞的测试中,包括PLA2在内的多种毒液组分比没有这种成分的鸡尾酒引发更多的细胞活动,这是疼痛反应加剧的迹象。

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02 品尝蛋白质的形状
为了教盲生或低视力的学生了解分子结构,教育家们传统上使用诸如物理模型或由纸上凸起的图像构成的触觉图等辅助工具。然而,对于像蛋白质这样的大分子,这些工具可能是不切实际或昂贵的。今年,BryanShaw和拜勒大学的同事们提出了一种新的援助方式:学生可以用嘴唇和舌头感受到复杂结构的咬合尺寸和详细模型(Sci.Adv. 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abh0691)。该小组希望与其他研究人员合作,进一步发展这一想法,使其成为一种可行和广泛使用的学习工具。

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使用食品安全模型,学生可以用舌头感觉蛋白质的形状,而舌头比指尖更敏感。一个小吃糖果(右)显示为规模(图片来源:Bryan Shaw)
03 可弯曲冰
冰以硬、脆、易碎而闻名。浙江大学童利民教授团队惊讶地发现,当冰晶生长成纤维状的微观晶体时,冰是弯曲而有弹性的(Science2021,doi:10.1126/Science.abh3754)。自然形成的冰通常含有气泡和裂缝,在这项研究中,研究人员想要没有瑕疵的冰。这一发现为普通材料在极小和完美的条件下如何达到预期目标提供了新的线索。

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研究人员已经培育出具有惊人弹性的微纤维冰晶(图片来源:Science)
04 玻璃催化剂
普渡大学李阳杰领导的一个小组发现,玻璃珠可以促进许多碱催化反应,这表明玻璃可以作为绿色催化剂来代替有毒或昂贵的化学物质(Chem.Sci. 2021, DOI: 10.1039/d1sc02708e)。研究小组在数千种反应条件下加入了玻璃微球,以观察玻璃将如何反应。玻璃表面覆盖着可解离的硅醇基团,当它与溶液接触时会产生负电荷。有了这个负电荷,玻璃就像一个强碱,产生亲核溶剂阴离子,可以催化反应。研究小组还发现,玻璃可以降解脂质等生物分子,这意味着用于生物分析实验的玻璃容器可能会破坏这些研究
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玻璃可以作为强碱催化反应和降解各种试剂(图片来源:Yangjie Li)
05 重金属蚁齿
俄勒冈大学罗伯特·斯科菲尔德(RobertSchofield)领导的一个研究小组发现,蚂蚁的牙齿是从边缘分布均匀的锌原子层中获得力量的。这一层原子允许蚂蚁使用至少60%的力,如果它们的牙齿和人类牙齿的成分相似的话。(Sci.Rep. 2021, DOI: 10.1038/s41598-021-91795-y)。蚂蚁的牙齿太小导致电子显微镜无法分析它们的组成。然而,利用原子探针断层成像技术,研究人员能够对蚂蚁牙齿的尖端进行成像。蚂蚁的牙齿是由一种蛋白质组成的,它把锌原子与边缘结合在一起。这使得刀刃锋利,能够均匀地分配力。
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由于锌原子的分布,蚂蚁的牙齿锋利耐用(图片来源:Shutterstock)
06 用静电恢复接触
在皮肤神经的帮助下,我们感觉到周围的世界。当神经受损时,我们缺乏恢复触觉的可靠方法。特拉维夫大学的Ben M. Maoz领导的一个研究小组设计了一种称为摩擦电纳米发电机的微型装置,可以植入动物的皮肤下,为受伤的神经提供动力(ACS Nano 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c10141)。

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像这样的摩擦电纳米发电机能恢复老鼠的触觉(图片来源:ACS Nano)
专家预测2022年的大化学研究趋势
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01 JAVIER GARCÍA MARTÍNEZ(IUPAC主席)
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(图片来源:Rive Technology)
“在所有令人兴奋的催化新趋势中,我想提到光催化将二氧化碳转化为有用的化学品。在过去几年中,我们不仅看到了二氧化碳转化率的显著提高,而且还看到了对具有多个碳原子和各种官能团的日益复杂和有用的分子的选择性。基于过去几年在这一领域取得的令人印象深刻的进展,我深信,在2022年期间,我们将看到一些重大突破,即我们只利用阳光将二氧化碳转化为有用的化学物质。”
02 VERNON MORRIS(大气化学家 亚利桑那州立大学)
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(图片来源:Jamie Cepernich, Barry Evans Studio, Pinole, CA)
“2021年受到高度宣传的社会动荡促使人们呼吁STEM(科学、技术、工程和数学)界纠正体制化的制度、机制和排斥态度,这些制度、机制和态度确保了科学和技术中带有种族偏见的结果。有公平意识的科学家将继续挑战我们的社会,让他们超越现状,即谁将成为科学家,谁将被承认为知识的生产者。但是,如果过去是先例,那么请考虑加大对这些努力的反对力度。与此同时,包容的、跨学科的科学团队将推动制定强有力的、以公平为中心的解决方案,以应对与空气污染(特别是在特大城市)和环境正义相关的复杂挑战。“
03 LAURA-ISOBEL MCCALL(分析化学家 俄克拉荷马大学)
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(图片来源:俄克拉荷马大学)
现在有几种新的方法已经扩展了我们注释代谢物特征的能力,我希望开发这些方法的科学家以外的科学家将开始实施这些方法。我将关注从分析化学和计算结构预测工具中产生的新的生物学见解。一个关键的步骤将是提高人们对硅工具产量的信心,特别是在预测结构的排名方面。我还认为,我们都渴望恢复在大流行中失去的社区意识。这可能会导致合作研究项目的增长,对“棘手的问题”有新的看法。
04 EUGENE Y.-X. CHEN(高分子化学家 科罗拉多州立大学)
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(图片来源:科罗拉多州立大学)
“塑料问题不仅与每个人都目睹的塑料污染危机有关,还与能源和气候变化有关,因为到2050年,塑料制造业预计将占全球石油消费量的20%和碳预算的15%。此外,虽然这是一个全球性问题,但研发活动尚未在全球范围内联系起来。2022年,随着研究人员希望更自由地旅行,我们将看到,不仅在出版物上,而且在国际首脑会议和研讨会上,都会出现大量跨学科的合作活动,以实现我们共同的目标,即创造创新和可持续的解决办法,以应对我们时代的这一紧迫挑战。“
05 CORINNA SCHINDLER(有机合成化学家 密歇根大学)
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(图片来源:Courtesy of Corinna Schindler)
“在有机化学方面,我预计我们将看到分子骨架或分子编辑的趋势继续增长。MarkLevin在芝加哥大学的年轻研究小组今年早些时候通过氮缺失在分子骨架编辑方面的工作引起了很多兴趣。他们发明了一种创造性的和意想不到的方法,使许多化学家在这个领域着迷。这个问题很吸引人,你能通过一个简单的合成转化,把一个复杂的分子转化成一个完全不同的分子(这需要采取许多步骤)吗?我预计化学家将在这些结果的基础上,迅速获得具有重要生物学功能的新的、复杂的分子。“
06 DIEGO SOLIS-IBARRA (材料化学家 墨西哥国立自治大学)
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(图片来源:Courtesy of Diego Solis-Ibarra)
“经过十多年的兴奋和发展,2022年很可能是钙钛矿光电终于能在商业阶段看到光明的一年。这个里程碑肯定会给这个领域带来很多知识、问题和挑战。同时,钙钛矿和钙钛矿激发材料将进一步进入除了太阳能电池和发光二极管以外的新领域。前沿应用,如自旋电子学、探测器、晶体管和催化剂,无疑是该领域将要探索的一些令人兴奋的途径。“

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