材料前沿最新綜述精選(2017年10月第3周)

 

　　

 

 

 

　　圖1 經MCHL拍攝的綠色LED光照下的甲蟲圖像

 

　　先進制造技術推動下的超級鏡頭設計促進了超薄、輕量、平坦等這些前所未有功能鏡頭的出現。由于簡單的制造，一般需要單步光刻，因此有可能垂直整合。這些平面鏡頭可以更換或補充傳統的折射和繞射鏡頭，能進一步使高性能光學設備和系統小型化。哈佛大學Federico Capasso(通訊作者)等對超級鏡頭的發展進行了綜述。作者首先對超級鏡頭進行了簡單的概述，總結其重要特性：衍射極限聚焦、高質量的成像和多功能性。之后對當前的問題和解決方案進行了討論，最后對行業的未來發展進行了展望。

 

　　文獻鏈接：Metalenses: Versatile multifunctional photonic components(Science,2017, DOI: 10.1126/science.aam8100)

 

　　2. Advanced Materials綜述：納米材料按需重構：當電子遇到離子

 

　　

 

 

 

　　圖2 納米材料的重構

 

　　由于半導體行業的飛速發展已接近基本物理極限，并面臨著嚴重的性能和成本約束，因此多功能材料和器件正在向新型智能和高效的計算系統轉化。通過控制固態薄膜的內部離子分布，在室溫下對其施加外加電場后，材料的化學成分和物理性質將在器件制備后可逆地重新配置。在不少材料中均可觀察到重構性，包括常用的介質薄膜，這可用于開發新器件，如可變電阻式存儲器。物理重構性可進一步將記憶和邏輯運算合并在同一設備中以進行高效內存中計算和神經形態計算。通過直接改變材料的化學成分還可以耦合電、光、磁效應。密歇根大學盧偉教授(通訊作者)等對納米材料重構領域的最新進展進行了綜述，介紹了基本材料和設備的研究，揭示了動態離子過程，討論了系統建模、器件和材料的挑戰以及未來的研究方向。

 

　　文獻鏈接：On-Demand Reconfiguration of Nanomaterials: When Electronics Meets Ionics.(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702770)

 

　　3.Nature Reviews Materials綜述：利用單線態激子裂變突破Shockley–Queisser限制

 

　　

 

 

 

　　圖3 單線態激子裂變的基本概念

 

　　單線態激子裂變是有機半導體中載流子倍增的過程，每吸收一個光子可產生兩個電子-空穴對。單線態裂變發生在100 fs內，產率高達200%，基于單線態裂變的光伏器件可獲得100%以上的表觀量子效率。該領域的主要挑戰是使用單線態裂變提升傳統無機太陽能電池的效率，突破對單結光伏效率的Shockley-Queisser限制。劍橋大學Akshay Rao(通訊作者)等評估了單線態激子裂變這一領域的現狀，重點闡述了單線態激子裂變的基礎、定量檢測、機理以及單線態激子裂變材料在光伏器件中的應用，最后對單線態激子裂變的未來發展進行展望。

 

　　文獻鏈接：Harnessing singlet exciton fission to break the Shockley–Queisser limit(Nat. Rev. Mater., 2017, DOI:10.1038/natrevmats.2017.63)

 

　　4.Progress in Polymer Science綜述：低共熔溶劑中的自由基聚合反應：功能材料的綠色合成

 

　　

 

 

 

　　圖4 低共熔溶劑(DESs)在自由基聚合反應中的應用

 

　　隨著人類環境意識的日益增長，減少或避免常規有機溶劑在高分子科學中的使用勢在必行，因此尋找可替代的反應介質迫在眉睫。低共熔溶劑(DESs)——離子液體的一種，已成為大量化學反應中可持續利用的溶劑。墨西哥國立自治大學Josué D. Mota Morales(通訊作者)等綜述了用于自由基聚合反應的DES。文章首先介紹了既可以作為DES的氫鍵供體或銨鹽又能夠進行自由基聚合的DES單體。之后，介紹了DES作為溶劑用于均相或乳液聚合。最后討論了利用特定化學合成方法的聚合物的性質。

 

　　文獻鏈接：Free-radical polymerizations of and in deep eutectic solvents: green synthesis offunctional materials (Prog. Polym. Sci., 2017, DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2017.09.005)

 

　　5.Progress in Polymer Science綜述：酶聚合制備縮聚物: 以脂肪族聚酯、聚酰胺和聚酰胺酯為例

 

　　

 

 

 

　　圖5 脂肪族聚酯、聚酰胺和聚酰胺酯的合成方法和底物

 

　　作為一種高效的和可行的聚合方式，酶聚合有望替代傳統化學催化聚合流程。相比傳統化學催化聚合，酶聚合具有顯著的優勢，其反應條件溫和、低毒和催化劑(酶)選擇性高，省去了保護-脫保護環節并提高了最終產品的質量/性能。在過去的三十年，包含大量的單體的均聚和共聚的縮聚聚合物生物催化合成路線一直處于研究階段。希臘雅典國家技術大學StamatinaVouyiouka(通訊作者)等對脂肪族聚酯、聚酰胺和聚酰胺酯的酶聚合系統地進行了綜述。作者首先對縮聚反應原理、脂肪族聚酯和聚酰胺的化學催化聚合以及酶催化的歷史進行了介紹。之后在脂肪族聚酯和聚酰胺的酶聚合原理中提出了用于酶聚合的種類和作用、酶催化縮聚和開環聚合的反應機理，重點介紹了脂肪族聚酯和聚酰胺的酶聚合過程中的相關參數，如酶的種類和濃度、單體鏈長和類型、反應溫度和時間以及溶劑類型、副產物去除方法等等。

 

　　文獻鏈接：A review on enzymatic polymerization to producepolycondensation polymers: The case of aliphatic polyesters,polyamides and polyesteramides(Prog. Polym. Sci., 2017, DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2017.10.001)

 

　　6.Chemical Society Reviews綜述：熒光化學傳感器: 昨天，今天和明天

 

　　

 

 

 

　　圖6 熒光顯微鏡下的Hela細胞

 

　　用于離子和中性分析物的熒光化學傳感器已廣泛應用于眾多領域，如生物學、生理學、藥理學和環境科學。熒光化學傳感器領域已經存在了約150年，現已有大量熒光化學傳感器可用于檢測生物和/或環境重要的物質。盡管該領域已取得大量進展，但仍存在一些問題和挑戰。英國巴斯大學Tony D. James、韓國梨花女子大學Juyoung Yoon、土耳其畢爾肯大學Engin U. Akkaya、愛爾蘭都柏林大學ThorfinnurGunnlaugsson(共同通訊作者)等介紹了熒光傳感器即通常所稱的化學傳感器的歷史，并對其研究發展作了總體概述。之后闡述了用于特定分析物的化學傳感器設計基本原則、本領域的問題和挑戰以及未來可能的研究方向。

 

　　文獻鏈接：Fluorescent chemosensors: the past, presentand future(Chem.Soc.Rev., 2017, DOI:10.1039/c7cs00240h)

 

　　7.Chemical Society Reviews綜述：由超分子聚合物到多組分生物材料

 

　　

 

 

 

　　圖7 細胞外基質(ECM)示意圖

 

　　細胞外基質(ECM)生物纖維結構最引人注目和一般的性質是生物活性蛋白質亞基之間的強大和定向相互作用。這些纖維具有豐富的動態行為且沒有失去其架構的完整性。ECM的復雜性激發了合成化學家在人工一維纖維結構中模仿這些屬性的思路，目的是獲得多組分的生物材料。由于與自然組織相互作用所需的動態特征，超分子生物材料是再生醫學的有力備選。根據應用領域的不同，上述多組分的纖維生物材料的設計標準也不同，作為彈性材料或凝膠系統。彈性材料用于承載特性，而水凝膠則用于支持體外細胞培養。埃因霍芬理工大學E. W. Meijer和Patricia Y. W. Dankers(共同通訊作者)等展示了一維超分子聚合物轉化為應用于再生醫學的多組分功能生物材料。文章首先介紹了有關超分子聚合物的歷史發展，之后闡述了可作為彈性體材料或凝膠因子的超分子聚合物。

 

　　文獻鏈接：From supramolecular polymers tomulti-component biomaterials(Chem.Soc.Rev., 2017, DOI:10.1039/c7cs00564d)

 

　　8.Accounts of Chemical Research綜述：MOFs/CPs向功能納米材料轉化：基于機械視角的實驗過程

 

　　

 

 

 

　　圖8 MOFs/CPs向功能納米材料轉化

 

　　由于在能量轉換和存儲設備、催化、儲氣等領域應用廣泛，納米材料(如多孔金屬氧化物、金屬納米顆粒、多孔碳及其復合材料)得到了廣泛的研究。因為其含有的有機和無機物種在給定的情況下均可作為模板和前驅體，因此金屬有機框架(MOFs)和配位聚合物(CPs)已成為上述納米材料的新型前驅體。MOFs的熱轉換為制備使用傳統方法難以獲得的功能納米材料提供了一條可行的路線。韓國蔚山科學技術大學Hoi Ri Moon(通訊作者)等對利用MOFs/CPs作為前驅體制備功能性納米材料進行了綜述，并基于機械視角討論了各種實驗方法。

 

　　文獻鏈接：Transformation of Metal−Organic Frameworks/Coordination Polymers into Functional Nanostructured Materials: Experimental Approaches Based on Mechanistic Insights(Acc.Chem.Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00259)

 

　　9.Accounts of Chemical Research綜述：多重發光中心化學傳感的鑭系功能化MOF復合材料

 

 

　　

 

 

 

　　圖9 鑭系功能化MOF復合材料的構筑及其應用

 

　　由于金屬有機框架(MOFs)特殊的結構可調性和性能，相比其他化學感應材料具有一定優勢。MOFs包含具有特殊化學反應的多用模塊(連接體或配體)，因此合成后修飾(PSM)為開發和擴大其特性提供了可能。光活性鑭系離子(Ln3+)引入MOF的主體可在MOF連接體的不同位置產生新的發光信號。獨特發光中心的性質可能使得對敏感物種的反應產生變化(如比率感應)，這為發光研究與化學傳感應用提供了新的機會。同濟大學閆冰教授(通訊作者)對用于多重發光中心化學傳感的鑭系功能化MOF復合材料的最新研究進展進行了綜述。作者首先提出鑭系離子、化合物或其他發光物種(有機染料或碳點)功能化MOF主體和基于鑭系功能化MOF光功能復合體系組裝的通用策略，主要用到了五種方法：原位復合、離子摻雜、離子交換、共價合成后修飾、配位合成后修飾。之后介紹了鑭系功能化MOF復合材料在溫度傳感、pH傳感以及食物品質、空氣污染物檢測方面的應用。

 

　　文獻鏈接：Lanthanide-Functionalized Metal−Organic Framework Hybrid Systems To Create Multiple Luminescent Centers for ChemicalSensing(Acc.Chem.Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00387)

 

　　10.Accounts of Chemical Research綜述：用于高能量高功率鋰電池的新型粘結劑：材料和結構設計

 

　　

 

 

 

　　圖10先進電池粘結劑的設計：模型研究-分子修飾-結構設計-高端表征-界面優化

 

　　發展高性能電池系統需要對每個電池組件進行優化，從電極、電解液到粘結劑系統。然而，將活性材料、絕緣的聚合物粘結劑和導電添加劑的混合物涂布于金屬箔集電器的傳統制備電池電極策略，由于隨機分布的導電相，通常會導致電子或離子瓶頸和較差的接觸。當使用高容量電極材料時，電化學反應產生的高應力會破壞傳統粘結劑系統的機械完整性，導致電池的循環壽命下降。因此，設計能夠提供穩定、低阻、連續的內部通路以連接電極的所有區域的新型粘結劑系統至關重要。美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授(通訊作者)等綜述了有關新型粘結劑系統的材料和結構設計的最新進展。在新型粘結劑系統的合理設計中，重點介紹了具有豐富羧基的絕緣聚合物新型粘結劑、具有定制/可控分子結構的多功能粘結劑以及基于導電聚合物復合物的多功能粘結劑。之后，文章對電池電化學過程中粘結劑的作用進行機理解釋，總結了未來新型粘結劑系統的一般設計準則。最后對多功能粘結劑的未來發展進行了展望。

 

　　文獻鏈接：Material and Structural Design of Novel Binder Systems for High-Energy, High-Power Lithium-Ion Batteries(Acc.Chem.Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00402)

 

　　11.Chemical Reviews綜述：用于3D細胞微環境的功能仿生材料

 

　　

 

 

 

　　圖11用于3D細胞微環境的功能仿生材料

 

　　細胞微環境已成為研究細胞行為和功能開發、生理學和病理生理學的關鍵因素之一。細胞微環境中的細胞外基質(ECM)不僅是細胞的結構基礎，也是觸發和調節細胞行為的三維生物化學和生物物理信號的來源之一。越來越多的證據表明，很多體內觀察的重要細胞應答的發展需要微環境的3D特性，這進而引領了3D細胞微環境功能和仿生材料工程的發展。上述材料設計的進展，改善了3D控制細胞行為，促進了組織再生、體外組織模型、大型細胞分化、免疫治療和基因治療等領域的發展。然而，該領域仍處于起步階段，細胞微環境相互作用本質的發現持續推翻著早期的進展。西安交通大學徐峰教授(通訊作者)等從細胞微環境、功能仿生材料設計以及生物醫學應用三方面展開了對三維細胞微環境的綜述，并對功能仿生材料設計中的仿生材料的分類、生物化學設計、生物物理設計以及材料特性去耦合進行了重點闡述。

 

　　文獻鏈接：Functional and Biomimetic Materials for Engineering of theThree-Dimensional Cell Microenvironment(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00094)

 

　　12.Chemical Reviews綜述：用于柔性電子器件的自然啟發結構材料

 

　　

 

 

 

　　圖12模仿自然結構的人工結構材料及其應用

 

　　在過去的二十年中，柔性電子器件領域已取得令人興奮的進步，有望在未來人類生活中引發一場革命。然而，由于在復雜應力環境中活性材料較差的可持續性，構建柔性器件已有了新的需求。因此，通過自然選擇發展出各種環境適應性結構和材料的天然材料分級體系結構可啟發研究人員解決材料和工程技術的局限性。南洋理工大學陳曉東教授(通訊作者)等綜述了受天然材料啟發的結構材料智能設計及其在構筑柔性器件中的應用。作者首先總結了能適應機械變形的結構材料，適應機械變形是柔性器件能在復雜的環境中正常工作最基本的要求。之后，作者討論了受自然啟發的結構材料的柔性器件的功能，包括機械傳感、能量采集、身體互動等等。最后，作者為開發新結構材料及其在未來柔性器件中的潛在應用以及仿生功能的前瞻策略提供了一種思路。

 

　　文獻鏈接：Nature-Inspired Structural Materials for Flexible Electronic Devices(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00291)

 

　　13.Chemical Reviews綜述：甲酸和醇類可持續儲氫中的均相催化

 

　　

 

 

 

　　圖13甲酸和醇類可持續儲氫中的均相催化

 

　　H2是一種環保、無污染的可再生能源，但其低密度影響了其有效應用。因此，欲實現氫氣經濟，高效的處理和存儲方法是亟待解決的關鍵因素。基于液體的存儲系統，特別是可以從CO2或其他可再生材料制備的甲酸和醇，是極具吸引力的H2載體，既可用于固定能量存儲單元(如加氫站)，亦可作為運輸燃料直接使用。然而，欲使能源基礎設施發生變化，首先需要具備從甲酸和醇釋放出H2以及從CO2和H2再生甲酸和醇的高效催化過程。洛桑聯邦理工學院的GáborLaurenczy和羅斯托克大學的Matthias Beller(共同通訊作者)等綜述了關鍵反應即CO2加氫得甲酸和醇及其反向脫氫反應的均相催化中的前沿進展，其中從可再生原料制得的高級醇脫氫以及有關反應機理的信息也有提及。作者分析了均相催化劑的關鍵結構特點以及在許多體系必需的助劑的作用，關注了可持續催化過程的最新進展，特別是無添加劑和基于地球上充足的金屬離子的催化過程。

 

　　文獻鏈接：Homogeneous Catalysis for Sustainable Hydrogen Storage in Formic Acid and Alcohols(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00182)