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生與操控的實驗設備與光學組件

 

　　將原子冷卻到超低溫可以為基礎物理、精密測量和量子科學等領域創造無限可能。比如原本無法觀測的化學反應，由于將分子冷卻至超低溫，使得分子的運動變得十分緩慢，同時分子間的反應過程也被放慢，這樣就能實現對化學反應的實時觀測。然而由于分子結構的復雜性，將冷卻技術應用于分子層面上仍是極具挑戰性的。精確控制分子內部和外部自由度以及理解由此產生的相互作用是這一領域的長期目標。近日，科羅拉多大學波爾得分校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域的研究進展，該技術為分子間相互作用、反應化學的控制和先進的量子材料的設計等這一系列研究提供一些的基本見解同時構建起各領域間的相互聯系。

 

　　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：電化學儲能轉換器件的新機遇

 

 

 

　　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，其在電化學方面的應用受到研究者的廣泛關注。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儲能策略。此外，吸附在表面的離子液體的特定屬性(電化學窗口、離子電導率等)與約束效應可以通過調節宿主的孔隙度和化學性質來調節。近日，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的Benoit Coasne(通訊作者)等人對離子液體在電化學領域的新興應用進行了討論。

 

　　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：磁輔助自修復超級電容器的原理結構圖

 

　　在過去十年，自修復材料取得了一系列重大突破，利用自修復材料來賦予器件自修復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，導電體，半導體和離子導體)的自修復機制。然后對新興發展的自修復儲能器件的概念、制備技術與修復性能做了詳細的描述。最后討論了自愈材料與器件現有挑戰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還原

 

　　

 

 

 

　　圖4：基于碳原子鍵合態的普通碳材料

 

　　地球二氧化碳含量的迅速增加導致了許多環境問題，如溫室效應、海洋酸化、冰川融化、物種滅絕。為了尋找合適的二氧化碳轉換方法，科學家們做出了很多努力，其中電化學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催化效率的關鍵，由于異構碳材料具有自然資源豐富、可裁剪的多孔結構、抗酸堿、高溫穩定性、環保等優點，因此被認為是最具有前景的非金屬催化材料。并且這些材料表現出優異的催化性能：催化活性、高耐久性、高選擇性。湖南大學馬建民教授與北京大學郭少軍教授(共同通訊作者)等人總結了各類應用于二氧化碳電化學催化劑的碳材料。對近期二氧化碳電化學還原的活性位點與還原路徑進行了系統的綜述。此外，對異構碳應用于催化劑提出了新的挑戰與展望。

 

　　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合水凝膠的形貌、力學特性和功能化性能

 

　　

 

 

 

　　圖5：含粘土、二氧化硅、碳納米管和石墨烯復合水凝膠文章歷年發表趨勢

 

　　碳納米材料以其獨特的結構和技術性能成為研究的熱點。南澳大利亞大學Ma Ju教授(通訊作者)等人在Prog. Polym. Sci上發表了一篇綜述，通過研究納米材料在水介質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合水凝膠的形貌、力學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、力學性能、電學性能和溶脹性能，突出論述了交聯技術和結構與性能的關系。簡要討論了納米材料的性能和制造技術，突出了納米材料的優點和局限性。最后概述了目前有效利用碳納米材料的挑戰和機遇。

 

　　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構為太陽能轉換為太陽能燃料的實現提供了基礎框架，但也面臨著重大挑戰，比如太陽本身性質帶來的影響。本文由北卡羅來納大學教堂山分校Thomas J. Meyer教授團隊總結了該團隊在該領域的研究進展，為染料敏化太陽能電池現有的挑戰提出了展望。

 

　　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

 

　　細胞內外的蛋白質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節。即使最輕微的不協調也會引起疾病。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之間形成結合界面，從而影響蛋白質間的相互作用。由于多肽具有良好的結合性，是下一代很有前途的恢復生物協調的個性化藥物。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藥物的限制，如一些藥物會限制了肽的臨床轉換。近些年分子、化學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Mattew V. Tsukruk(通訊作者)等人在Chem. Soc. Rev.上發表了一篇綜述，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

 

　　納米材料具有穩健、靈敏和選擇性探測的優點有助于實現生物傳感的實時、準確、高通量等優點。但是，為了更具有市場競爭性，現有的納米生物傳感需要重大改進，尤其是在特異性、一體化、吞吐率和穩定性等方面需要提升。佐治亞理工學院的Vladimir V. Tsukruk(通訊作者)等人在Chem. Rev.上發表了一篇綜述，該綜述總結了近期混合納米生物傳感器的合成、組裝與應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計

 

　　安全性和有效性是新藥批準的主要標準。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?？梢酝ㄟ^顯像劑結合的靶向配體來進一步增強被批準的效率。近日，普渡大學的Philip S. Low(通訊作者)等人在Chem. Rev.上發表了一篇綜述，該綜述致力于總結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器的應用

 

　　

 

 

 

　　圖10：質子交換膜流動微型反應器示意圖

 

　　微流體反應器技術具有明顯的基礎優勢和潛在優勢，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、同時在反應過程中的安全性增加。這些優點可以廣泛地應用于電合成技術，因此微流體反應器與化學結合引起了學術界和工業界濃厚的研究興趣。橫濱國立大學的Mahito Atobe(通訊作者)等人在Chem. Rev.上發表了一篇關于微流體的綜述。該文詳細綜述了至今為止連續微流體反應器在電合成過程中的應用。

 

　　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：高純度半導體單壁碳納米管：新興電子器件中的關鍵材料

 

　　

 

 

 

　　圖11：柔性襯底上全印刷碳納米管晶體管

 

　　半導體單壁碳納米管(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點。單壁碳納米管可以廣泛應用于數碼電子、射頻電路等領域，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化帶來曙光。然而電子產品的商業化將需要大量的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仍是一項極大的挑戰。目前科研人員已經開發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上發表了一篇關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-炔基環加成反應(CuAAC)自愈合聚合物的點擊化學

 

　　

 

 

 

　　圖12:CuAAC點擊化學自愈合示意圖

 

　　點擊化學是由化學家巴里·夏普萊斯(K. B. Sharpless)在2001年提出的一個化學合成概念，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合成。點擊化學的代表反應是銅催化的疊氮-炔基環加成反應，該反應為自主交聯材料的應用奠定了基礎。另一方面，自愈系統一般基于溫和的交聯化學，能夠自主的觸發反應。馬丁路德大學Wolfgang H. Binder(通訊作者)等人在Acc. Chem. Res.上發表了一篇綜述，展示了如何利用CuAAC反應作為一種制備自修復材料的工具，并且能夠在較低的溫度下實現交聯。

 

　　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有幾十年。這些研究大多是在良好控制的環境中進行的，這對當今對催化的理解有幫助，可以提供有關催化的表面結構、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，德隆大學的Edvin Lundgren(通訊作者)等人在Acc. Chem. Res上發表了一篇綜述，該團隊專注于研究催化劑在工業條件下的應用，本文總結了其團隊近些年在該領域的研究進展與重大發現。

 

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