材料前沿最新綜述精選(2017年9月第3周)

 

 

 

　　圖1：極性分子量子氣體的產(chǎn)生與操控的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與光學(xué)組件

 

　　將原子冷卻到超低溫可以為基礎(chǔ)物理、精密測(cè)量和量子科學(xué)等領(lǐng)域創(chuàng)造無(wú)限可能。比如原本無(wú)法觀測(cè)的化學(xué)反應(yīng)，由于將分子冷卻至超低溫，使得分子的運(yùn)動(dòng)變得十分緩慢，同時(shí)分子間的反應(yīng)過(guò)程也被放慢，這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。然而由于分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將冷卻技術(shù)應(yīng)用于分子層面上仍是極具挑戰(zhàn)性的。精確控制分子內(nèi)部和外部自由度以及理解由此產(chǎn)生的相互作用是這一領(lǐng)域的長(zhǎng)期目標(biāo)。近日，科羅拉多大學(xué)波爾得分校John L.Bohn, Ana Maria Rey, Jun Ye(共同通訊作者)等人綜述了近些年冷卻分子領(lǐng)域的研究進(jìn)展，該技術(shù)為分子間相互作用、反應(yīng)化學(xué)的控制和先進(jìn)的量子材料的設(shè)計(jì)等這一系列研究提供一些的基本見(jiàn)解同時(shí)構(gòu)建起各領(lǐng)域間的相互聯(lián)系。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Cold molecules: Progress in quantum engineering of chemistry and quantum matter(Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam6299)

 

　　2. Adv. Energy Mater.綜述：從離子凝膠到離子溶液：電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換器件的新機(jī)遇

 

 

 

　　圖2：兩種不同硅離子凝膠的合成方法

 

　　離子液體能夠有效提升超容與二次電池的能量存儲(chǔ)能力，其在電化學(xué)方面的應(yīng)用受到研究者的廣泛關(guān)注。具體地說(shuō)，研究者認(rèn)為將離子溶液負(fù)載在納米孔或者吸附在材料表面是一種很有前途的全固態(tài)儲(chǔ)能策略。此外，吸附在表面的離子液體的特定屬性(電化學(xué)窗口、離子電導(dǎo)率等)與約束效應(yīng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)宿主的孔隙度和化學(xué)性質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)。近日，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的Benoit Coasne(通訊作者)等人對(duì)離子液體在電化學(xué)領(lǐng)域的新興應(yīng)用進(jìn)行了討論。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：From Ionogels to Biredox Ionic Liquids: Some Emerging Opportunities for Electrochemical Energy Storage and Conversion Devices(Adv. Energy Mater.,2017, DOI:10.1002/aenm.201700883)

 

　　3. Adv. Energy Mater.綜述：下一代能量收集存儲(chǔ)器件中的自愈材料

 

　　

 

 

 

　　圖3：磁輔助自修復(fù)超級(jí)電容器的原理結(jié)構(gòu)圖

 

　　在過(guò)去十年，自修復(fù)材料取得了一系列重大突破，利用自修復(fù)材料來(lái)賦予器件自修復(fù)能力是一種特別有前途的方法，可以有效地提高器件的耐用性和功能化。香港理工大學(xué)鄭子劍教授(通訊作者)等人對(duì)自愈合材料在能量收集和存儲(chǔ)器件方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述。該文章首先詳細(xì)介紹了幾種不同材料(包括絕緣體，導(dǎo)電體，半導(dǎo)體和離子導(dǎo)體)的自修復(fù)機(jī)制。然后對(duì)新興發(fā)展的自修復(fù)儲(chǔ)能器件的概念、制備技術(shù)與修復(fù)性能做了詳細(xì)的描述。最后討論了自愈材料與器件現(xiàn)有挑戰(zhàn)和具有前途的解決方案。

 

　　文獻(xiàn)鏈接:Self-Healing Materials for Next-Generation Energy Harvesting and Storage Devices(Adv. Energy Mater., 2017，DOI:10.1002/aenm.201700890)

 

　　4. Adv. Mater.綜述：非金碳材料用于二氧化碳電化學(xué)還原

 

　　

 

 

 

　　圖4：基于碳原子鍵合態(tài)的普通碳材料

 

　　地球二氧化碳含量的迅速增加導(dǎo)致了許多環(huán)境問(wèn)題，如溫室效應(yīng)、海洋酸化、冰川融化、物種滅絕。為了尋找合適的二氧化碳轉(zhuǎn)換方法，科學(xué)家們做出了很多努力，其中電化學(xué)法還原二氧化碳被認(rèn)為是最有前景的方法。其中催化劑是提升電化學(xué)催化效率的關(guān)鍵，由于異構(gòu)碳材料具有自然資源豐富、可裁剪的多孔結(jié)構(gòu)、抗酸堿、高溫穩(wěn)定性、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是最具有前景的非金屬催化材料。并且這些材料表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能：催化活性、高耐久性、高選擇性。湖南大學(xué)馬建民教授與北京大學(xué)郭少軍教授(共同通訊作者)等人總結(jié)了各類(lèi)應(yīng)用于二氧化碳電化學(xué)催化劑的碳材料。對(duì)近期二氧化碳電化學(xué)還原的活性位點(diǎn)與還原路徑進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。此外，對(duì)異構(gòu)碳應(yīng)用于催化劑提出了新的挑戰(zhàn)與展望。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Metal-Free Carbon Materials for CO2 Electrochemical Reduction(Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201701784)

 

　　5. Prog. Polym. Sci綜述：含碳納米材料聚合物復(fù)合水凝膠的形貌、力學(xué)特性和功能化性能

 

　　

 

 

 

　　圖5：含粘土、二氧化硅、碳納米管和石墨烯復(fù)合水凝膠文章歷年發(fā)表趨勢(shì)

 

　　碳納米材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能成為研究的熱點(diǎn)。南澳大利亞大學(xué)Ma Ju教授(通訊作者)等人在Prog. Polym. Sci上發(fā)表了一篇綜述，通過(guò)研究納米材料在水介質(zhì)中的分散性及其與聚合物基體的相互作用，考察了納米材料對(duì)復(fù)合水凝膠的形貌、力學(xué)性能和功能性能的影響。該篇綜述詳細(xì)介紹了水凝膠的合成方法、力學(xué)性能、電學(xué)性能和溶脹性能，突出論述了交聯(lián)技術(shù)和結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。簡(jiǎn)要討論了納米材料的性能和制造技術(shù)，突出了納米材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性。最后概述了目前有效利用碳納米材料的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Polymer composite hydrogels containing carbon nanomaterials—Morphology and mechanical and functional performance (Prog. Polym. Sci, 2017, DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2017.09.001)

 

　　6. Chem. Soc. Rev.綜述：溶液與氧化物表面的分子水氧化機(jī)制

 

　　

 

 

 

　　圖6：太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)燃料敏化電池水氧化過(guò)程示意圖

 

　　染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能燃料的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)框架，但也面臨著重大挑戰(zhàn)，比如太陽(yáng)本身性質(zhì)帶來(lái)的影響。本文由北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校Thomas J. Meyer教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)了該團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，為染料敏化太陽(yáng)能電池現(xiàn)有的挑戰(zhàn)提出了展望。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Mechanisms of molecular water oxidation in solution and on oxide surfaces(Chem. Soc. Rev., 2017, DOI:10.1039/c7cs00465f)

 

　　7. Chem. Soc. Rev.綜述：應(yīng)用分子工程解決治療肽釋放

 

　　

 

 

 

　　圖7：治療肽在生物體釋放需克服的障礙路線圖

 

　　細(xì)胞內(nèi)外的蛋白質(zhì)及其相互作用必須被精心安排，才能保證機(jī)體的功能正常與生理調(diào)節(jié)。即使最輕微的不協(xié)調(diào)也會(huì)引起疾病。治療性肽是一種較短的氨基酸序列，可以自然地連接在蛋白質(zhì)之間形成結(jié)合界面，從而影響蛋白質(zhì)間的相互作用。由于多肽具有良好的結(jié)合性，是下一代很有前途的恢復(fù)生物協(xié)調(diào)的個(gè)性化藥物。同時(shí)肽具有高度選擇性、安全性和生物相容性。然而，肽也容易受到許多體內(nèi)藥物的限制，如一些藥物會(huì)限制了肽的臨床轉(zhuǎn)換。近些年分子、化學(xué)和納米工程的蓬勃進(jìn)展，為克服這些困難提供了契機(jī)。近日，芝加哥大學(xué)Mattew V. Tsukruk(通訊作者)等人在Chem. Soc. Rev.上發(fā)表了一篇綜述，該綜述專(zhuān)注于利用自組裝運(yùn)輸車(chē)作為納米粒子攜帶和保護(hù)治療肽完成從輸運(yùn)到釋放這一旅程，并將肽有效地釋放到所需的有機(jī)組織中。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Molecular engineering solutions for therapeutic peptide delivery(Chem. Soc. Rev., 2017, DOI:10.1039/c7cs00536a)

 

　　8. Chem.Rev.綜述：混合納米生物傳感器的合成、組裝與應(yīng)用

 

　　

 

 

 

　　圖8：納米工程堆砌并將其納入納米生物傳感器

 

　　納米材料具有穩(wěn)健、靈敏和選擇性探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)有助于實(shí)現(xiàn)生物傳感的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高通量等優(yōu)點(diǎn)。但是，為了更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性，現(xiàn)有的納米生物傳感需要重大改進(jìn)，尤其是在特異性、一體化、吞吐率和穩(wěn)定性等方面需要提升。佐治亞理工學(xué)院的Vladimir V. Tsukruk(通訊作者)等人在Chem. Rev.上發(fā)表了一篇綜述，該綜述總結(jié)了近期混合納米生物傳感器的合成、組裝與應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Synthesis, Assembly, and Applications of Hybrid Nanostructures for Biosensing(Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00088)

 

　　9.Chem.Rev.綜述：配體靶向藥物傳送

 

　　

 

 

 

　　圖9：理想配體靶向藥物的設(shè)計(jì)

 

　　安全性和有效性是新藥批準(zhǔn)的主要標(biāo)準(zhǔn)。最大限度地提高安全性和有效性的最佳方法是提供一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的治療劑，其靶向配體對(duì)健康細(xì)胞幾乎沒(méi)有親和力，但對(duì)病理細(xì)胞具有高親和力。可以通過(guò)顯像劑結(jié)合的靶向配體來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)被批準(zhǔn)的效率。近日，普渡大學(xué)的Philip S. Low(通訊作者)等人在Chem. Rev.上發(fā)表了一篇綜述，該綜述致力于總結(jié)用最小毒性的配體靶向藥物達(dá)到治療效果的研究進(jìn)展。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Ligand-Targeted Drug Delivery (Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00013)

 

　　10.Chem.Rev.綜述：電合成過(guò)程中的微流體反應(yīng)器的應(yīng)用

 

　　

 

 

 

　　圖10：質(zhì)子交換膜流動(dòng)微型反應(yīng)器示意圖

 

　　微流體反應(yīng)器技術(shù)具有明顯的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)和潛在優(yōu)勢(shì)，比如比表面積大、溫度和停留時(shí)間的精確控制、分子擴(kuò)散速度快、同時(shí)在反應(yīng)過(guò)程中的安全性增加。這些優(yōu)點(diǎn)可以廣泛地應(yīng)用于電合成技術(shù)，因此微流體反應(yīng)器與化學(xué)結(jié)合引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界濃厚的研究興趣。橫濱國(guó)立大學(xué)的Mahito Atobe(通訊作者)等人在Chem. Rev.上發(fā)表了一篇關(guān)于微流體的綜述。該文詳細(xì)綜述了至今為止連續(xù)微流體反應(yīng)器在電合成過(guò)程中的應(yīng)用。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Applications of Flow Microreactors in Electrosynthetic Processes(Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00353)

 

　　11.Acc. Chem. Res.綜述：高純度半導(dǎo)體單壁碳納米管：新興電子器件中的關(guān)鍵材料

 

　　

 

 

 

　　圖11：柔性襯底上全印刷碳納米管晶體管

 

　　半導(dǎo)體單壁碳納米管(SC SWCNTs)是一種很有前途的新型材料，同時(shí)具有高性能、高密度、低成本和大面積制備等優(yōu)點(diǎn)。單壁碳納米管可以廣泛應(yīng)用于數(shù)碼電子、射頻電路等領(lǐng)域，可以提高器件的靈活性和彈性。因此，單壁碳納米管為許多電子器件的商業(yè)化帶來(lái)曙光。然而電子產(chǎn)品的商業(yè)化將需要大量的SC單壁碳納米管，因此單壁碳納米管材料的制備與提純技術(shù)仍是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。目前科研人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多獲得高純度單壁碳納米管方法，包括密度梯度超速離心法、色譜法和雙水相萃取法等。通過(guò)這些方法可以制備純度大于99%的單壁碳納米管。但是，這些方法都有各自的缺點(diǎn)和局限性。近日，加拿大國(guó)家研究院Jacques Lefebvre和Patrick R. L. Malenfant(共同通訊作者)等人在Acc. Chem. Res上發(fā)表了一篇關(guān)于單壁碳納米管的綜述。該綜述涵蓋了單壁碳納米管電子的三個(gè)相通的話題：計(jì)量、富集和單壁碳納米管晶體管的制備流程。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：High-Purity Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes: A Key Enabling Material in Emerging Electronics (Acc. Chem. Res., 2017，DOI:10.1021/acs.accounts.7b00234)

 

　　12. Acc. Chem. Res.：基于銅催化的疊氮-炔基環(huán)加成反應(yīng)(CuAAC)自愈合聚合物的點(diǎn)擊化學(xué)

 

　　

 

 

 

　　圖12:CuAAC點(diǎn)擊化學(xué)自愈合示意圖

 

　　點(diǎn)擊化學(xué)是由化學(xué)家巴里·夏普萊斯(K. B. Sharpless)在2001年提出的一個(gè)化學(xué)合成概念，主旨是通過(guò)小單元的拼接，來(lái)快速可靠地完成形形色色分子的化學(xué)合成。點(diǎn)擊化學(xué)的代表反應(yīng)是銅催化的疊氮-炔基環(huán)加成反應(yīng)，該反應(yīng)為自主交聯(lián)材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另一方面，自愈系統(tǒng)一般基于溫和的交聯(lián)化學(xué)，能夠自主的觸發(fā)反應(yīng)。馬丁路德大學(xué)Wolfgang H. Binder(通訊作者)等人在Acc. Chem. Res.上發(fā)表了一篇綜述，展示了如何利用CuAAC反應(yīng)作為一種制備自修復(fù)材料的工具，并且能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：CuAAC-Based Click Chemistry in Self-Healing Polymers (Acc. Chem. Res.,2017, DOI:10.1021/acs.accounts.7b00371)

 

　　13.Acc. Chem. Res.綜述：新原位技術(shù)用于模擬催化劑的研究

 

　　

 

 

 

　　圖13：表面原子定向排列的衍射圖樣

 

　　催化、單晶表面和分子之間的氣−表面相互作用的研究已經(jīng)有幾十年。這些研究大多是在良好控制的環(huán)境中進(jìn)行的，這對(duì)當(dāng)今對(duì)催化的理解有幫助，可以提供有關(guān)催化的表面結(jié)構(gòu)、吸附位置、吸附和解吸能量的信息。然而，這種方法被認(rèn)為是遠(yuǎn)離高溫和工業(yè)條件下的催化劑方式。因此，許多研究都在專(zhuān)注于研究能夠在實(shí)際條件完成催化的方法。近日，德隆大學(xué)的Edvin Lundgren(通訊作者)等人在Acc. Chem. Res上發(fā)表了一篇綜述，該團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于研究催化劑在工業(yè)條件下的應(yīng)用，本文總結(jié)了其團(tuán)隊(duì)近些年在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展與重大發(fā)現(xiàn)。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Novel in Situ Techniques for Studies of Model Catalysts (Acc. Chem. Res., 2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00281)