材料前沿最新綜述精選(2017年9月第3周)
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時間：2017-09-21 09:06:04 發(fā)布人：editor
1. Science綜述：冷分子：化學(xué)量子工程和量子物質(zhì)的進展
圖1：極性分子量子氣體的產(chǎn)生與操控的實驗設(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、精密測量和量子科學(xué)等領(lǐng)域創(chuàng)造無限可能。比如原本無法觀測的化學(xué)反應(yīng)，由于將分子冷卻至超低溫，使得分子的運動變得十分緩慢，同時分子間的反應(yīng)過程也被放慢，這樣就能實現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)的實時觀測。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)的控制和先進的量子材料的設(shè)計等這一系列研究提供一些的基本見解同時構(gòu)建起各領(lǐng)域間的相互聯(lián)系。
文獻鏈接：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)儲能轉(zhuǎn)換器件的新機遇
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，研究者認為將離子溶液負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)可以通過調(diào)節(jié)宿主的孔隙度和化學(xué)性質(zhì)來調(diào)節(jié)。近日，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的Benoit Coasne(通訊作者)等人對離子液體在電化學(xué)領(lǐng)域的新興應(yīng)用進行了討論。
文獻鏈接：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器件中的自愈材料
圖3：磁輔助自修復(fù)超級電容器的原理結(jié)構(gòu)圖
在過去十年，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)等人對自愈合材料在能量收集和存儲器件方面的研究進展進行了概述。該文章首先詳細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)機制。然后對新興發(fā)展的自修復(fù)儲能器件的概念、制備技術(shù)與修復(fù)性能做了詳細的描述。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，因此被認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)了各類應(yīng)用于二氧化碳電化學(xué)催化劑的碳材料。對近期二氧化碳電化學(xué)還原的活性位點與還原路徑進行了系統(tǒng)的綜述。此外，對異構(gòu)碳應(yīng)用于催化劑提出了新的挑戰(zhàn)與展望。
文獻鏈接：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
碳納米材料以其獨特的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能成為研究的熱點。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)和機遇。
文獻鏈接：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制
圖6：太陽光驅(qū)動燃料敏化電池水氧化過程示意圖
染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)為太陽能轉(zhuǎn)換為太陽能燃料的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)框架，但也面臨著重大挑戰(zhàn)，比如太陽本身性質(zhì)帶來的影響。本文由北卡羅來納大學(xué)教堂山分校Thomas J. Meyer教授團隊總結(jié)了該團隊在該領(lǐng)域的研究進展，為染料敏化太陽能電池現(xiàn)有的挑戰(zhàn)提出了展望。
文獻鏈接：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)的個性化藥物。同時肽具有高度選擇性、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展，為克服這些困難提供了契機。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，該綜述專注于利用自組裝運輸車作為納米粒子攜帶和保護治療肽完成從輸運到釋放這一旅程，并將肽有效地釋放到所需的有機組織中。
文獻鏈接：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、靈敏和選擇性探測的優(yōu)點有助于實現(xiàn)生物傳感的實時、準(zhǔn)確、高通量等優(yōu)點。但是，為了更具有市場競爭性，現(xiàn)有的納米生物傳感需要重大改進，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)用等方面的研究進展。
文獻鏈接：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
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)過驗證的治療劑，其靶向配體對健康細胞幾乎沒有親和力，但對病理細胞具有高親和力。可以通過顯像劑結(jié)合的靶向配體來進一步增強被批準(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到治療效果的研究進展。
文獻鏈接：Ligand-Targeted Drug Delivery (Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00013)
10.Chem.Rev.綜述：電合成過程中的微流體反應(yīng)器的應(yīng)用
圖10：質(zhì)子交換膜流動微型反應(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)勢和潛在優(yōu)勢，比如比表面積大、溫度和停留時間的精確控制、分子擴散速度快、同時在反應(yīng)過程中的安全性增加。這些優(yōu)點可以廣泛地應(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。該文詳細綜述了至今為止連續(xù)微流體反應(yīng)器在電合成過程中的應(yīng)用。
文獻鏈接：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，同時具有高性能、高密度、低成本和大面積制備等優(yōu)點。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)仍是一項極大的挑戰(zhàn)。目前科研人員已經(jīng)開發(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和局限性。近日，加拿大國家研究院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相通的話題：計量、富集和單壁碳納米管晶體管的制備流程。
文獻鏈接：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)自愈合聚合物的點擊化學(xué)
圖12:CuAAC點擊化學(xué)自愈合示意圖
點擊化學(xué)是由化學(xué)家巴里·夏普萊斯(K. B. Sharpless)在2001年提出的一個化學(xué)合成概念，主旨是通過小單元的拼接，來快速可靠地完成形形色色分子的化學(xué)合成。點擊化學(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現(xiàn)交聯(lián)。
文獻鏈接：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)境中進行的，這對當(dāng)今對催化的理解有幫助，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，這種方法被認為是遠離高溫和工業(yè)條件下的催化劑方式。因此，許多研究都在專注于研究能夠在實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，該團隊專注于研究催化劑在工業(yè)條件下的應(yīng)用，本文總結(jié)了其團隊近些年在該領(lǐng)域的研究進展與重大發(fā)現(xiàn)。
文獻鏈接：Novel in Situ Techniques for Studies of Model Catalysts (Acc. Chem. Res., 2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00281)