材料前沿最新綜述精選(2017年10月第3周)

 

　　

 

 

 

　　圖1 經(jīng)MCHL拍攝的綠色LED光照下的甲蟲圖像

 

　　先進(jìn)制造技術(shù)推動(dòng)下的超級(jí)鏡頭設(shè)計(jì)促進(jìn)了超薄、輕量、平坦等這些前所未有功能鏡頭的出現(xiàn)。由于簡(jiǎn)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(bǔ)充傳統(tǒng)的折射和繞射鏡頭，能進(jìn)一步使高性能光學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)小型化。哈佛大學(xué)Federico Capasso(通訊作者)等對(duì)超級(jí)鏡頭的發(fā)展進(jìn)行了綜述。作者首先對(duì)超級(jí)鏡頭進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，總結(jié)其重要特性：衍射極限聚焦、高質(zhì)量的成像和多功能性。之后對(duì)當(dāng)前的問題和解決方案進(jìn)行了討論，最后對(duì)行業(yè)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

 

　　文獻(xiàn)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(gòu)：當(dāng)電子遇到離子

 

　　

 

 

 

　　圖2 納米材料的重構(gòu)

 

　　由于半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展已接近基本物理極限，并面臨著嚴(yán)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(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。通過控制固態(tài)薄膜的內(nèi)部離子分布，在室溫下對(duì)其施加外加電場(chǎng)后，材料的化學(xué)成分和物理性質(zhì)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(gòu)性，包括常用的介質(zhì)薄膜，這可用于開發(fā)新器件，如可變電阻式存儲(chǔ)器。物理重構(gòu)性可進(jìn)一步將記憶和邏輯運(yùn)算合并在同一設(shè)備中以進(jìn)行高效內(nèi)存中計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。通過直接改變材料的化學(xué)成分還可以耦合電、光、磁效應(yīng)。密歇根大學(xué)盧偉教授(通訊作者)等對(duì)納米材料重構(gòu)領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，介紹了基本材料和設(shè)備的研究，揭示了動(dòng)態(tài)離子過程，討論了系統(tǒng)建模、器件和材料的挑戰(zhàn)以及未來的研究方向。

 

　　文獻(xiàn)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(tài)激子裂變突破Shockley–Queisser限制

 

　　

 

 

 

　　圖3 單線態(tài)激子裂變的基本概念

 

　　單線態(tài)激子裂變是有機(jī)半導(dǎo)體中載流子倍增的過程，每吸收一個(gè)光子可產(chǎn)生兩個(gè)電子-空穴對(duì)。單線態(tài)裂變發(fā)生在100 fs內(nèi)，產(chǎn)率高達(dá)200%，基于單線態(tài)裂變的光伏器件可獲得100%以上的表觀量子效率。該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是使用單線態(tài)裂變提升傳統(tǒng)無機(jī)太陽(yáng)能電池的效率，突破對(duì)單結(jié)光伏效率的Shockley-Queisser限制。劍橋大學(xué)Akshay Rao(通訊作者)等評(píng)估了單線態(tài)激子裂變這一領(lǐng)域的現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了單線態(tài)激子裂變的基礎(chǔ)、定量檢測(cè)、機(jī)理以及單線態(tài)激子裂變材料在光伏器件中的應(yīng)用，最后對(duì)單線態(tài)激子裂變的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

 

　　文獻(xiàn)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(yīng)：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(yīng)中的應(yīng)用

 

　　隨著人類環(huán)境意識(shí)的日益增長(zhǎng)，減少或避免常規(guī)有機(jī)溶劑在高分子科學(xué)中的使用勢(shì)在必行，因此尋找可替代的反應(yīng)介質(zhì)迫在眉睫。低共熔溶劑(DESs)——離子液體的一種，已成為大量化學(xué)反應(yīng)中可持續(xù)利用的溶劑。墨西哥國(guó)立自治大學(xué)Josué D. Mota Morales(通訊作者)等綜述了用于自由基聚合反應(yīng)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(jìn)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(xué)合成方法的聚合物的性質(zhì)。

 

　　文獻(xiàn)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(tǒng)化學(xué)催化聚合流程。相比傳統(tǒng)化學(xué)催化聚合，酶聚合具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其反應(yīng)條件溫和、低毒和催化劑(酶)選擇性高，省去了保護(hù)-脫保護(hù)環(huán)節(jié)并提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)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(guó)家技術(shù)大學(xué)StamatinaVouyiouka(通訊作者)等對(duì)脂肪族聚酯、聚酰胺和聚酰胺酯的酶聚合系統(tǒng)地進(jìn)行了綜述。作者首先對(duì)縮聚反應(yīng)原理、脂肪族聚酯和聚酰胺的化學(xué)催化聚合以及酶催化的歷史進(jìn)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(huán)聚合的反應(yīng)機(jī)理，重點(diǎn)介紹了脂肪族聚酯和聚酰胺的酶聚合過程中的相關(guān)參數(shù)，如酶的種類和濃度、單體鏈長(zhǎng)和類型、反應(yīng)溫度和時(shí)間以及溶劑類型、副產(chǎn)物去除方法等等。

 

　　文獻(xiàn)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(xué)傳感器: 昨天，今天和明天

 

　　

 

 

 

　　圖6 熒光顯微鏡下的Hela細(xì)胞

 

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

 

　　文獻(xiàn)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(xì)胞外基質(zhì)(ECM)示意圖

 

　　細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)生物纖維結(jié)構(gòu)最引人注目和一般的性質(zhì)是生物活性蛋白質(zhì)亞基之間的強(qiáng)大和定向相互作用。這些纖維具有豐富的動(dòng)態(tài)行為且沒有失去其架構(gòu)的完整性。ECM的復(fù)雜性激發(fā)了合成化學(xué)家在人工一維纖維結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)特征，超分子生物材料是再生醫(yī)學(xué)的有力備選。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，上述多組分的纖維生物材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不同，作為彈性材料或凝膠系統(tǒng)。彈性材料用于承載特性，而水凝膠則用于支持體外細(xì)胞培養(yǎng)。埃因霍芬理工大學(xué)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(zhuǎn)化為應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)的多組分功能生物材料。文章首先介紹了有關(guān)超分子聚合物的歷史發(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)化：基于機(jī)械視角的實(shí)驗(yàn)過程

 

　　

 

 

 

　　圖8 MOFs/CPs向功能納米材料轉(zhuǎn)化

 

　　由于在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備、催化、儲(chǔ)氣等領(lǐng)域應(yīng)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(fù)合材料)得到了廣泛的研究。因?yàn)槠浜械挠袡C(jī)和無機(jī)物種在給定的情況下均可作為模板和前驅(qū)體，因此金屬有機(jī)框架(MOFs)和配位聚合物(CPs)已成為上述納米材料的新型前驅(qū)體。MOFs的熱轉(zhuǎn)換為制備使用傳統(tǒng)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(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)大學(xué)Hoi Ri Moon(通訊作者)等對(duì)利用MOFs/CPs作為前驅(qū)體制備功能性納米材料進(jìn)行了綜述，并基于機(jī)械視角討論了各種實(shí)驗(yàn)方法。

 

　　文獻(xiàn)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(fā)光中心化學(xué)傳感的鑭系功能化MOF復(fù)合材料

 

 

　　

 

 

 

　　圖9 鑭系功能化MOF復(fù)合材料的構(gòu)筑及其應(yīng)用

 

　　由于金屬有機(jī)框架(MOFs)特殊的結(jié)構(gòu)可調(diào)性和性能，相比其他化學(xué)感應(yīng)材料具有一定優(yōu)勢(shì)。MOFs包含具有特殊化學(xué)反應(yīng)的多用模塊(連接體或配體)，因此合成后修飾(PSM)為開發(fā)和擴(kuò)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(chǎn)生新的發(fā)光信號(hào)。獨(dú)特發(fā)光中心的性質(zhì)可能使得對(duì)敏感物種的反應(yīng)產(chǎn)生變化(如比率感應(yīng))，這為發(fā)光研究與化學(xué)傳感應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。同濟(jì)大學(xué)閆冰教授(通訊作者)對(duì)用于多重發(fā)光中心化學(xué)傳感的鑭系功能化MOF復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。作者首先提出鑭系離子、化合物或其他發(fā)光物種(有機(jī)染料或碳點(diǎn))功能化MOF主體和基于鑭系功能化MOF光功能復(fù)合體系組裝的通用策略，主要用到了五種方法：原位復(fù)合、離子摻雜、離子交換、共價(jià)合成后修飾、配位合成后修飾。之后介紹了鑭系功能化MOF復(fù)合材料在溫度傳感、pH傳感以及食物品質(zhì)、空氣污染物檢測(cè)方面的應(yīng)用。

 

　　文獻(xiàn)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(jié)劑：材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

　　

 

 

 

　　圖10先進(jìn)電池粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)：模型研究-分子修飾-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-高端表征-界面優(yōu)化

 

　　發(fā)展高性能電池系統(tǒng)需要對(duì)每個(gè)電池組件進(jìn)行優(yōu)化，從電極、電解液到粘結(jié)劑系統(tǒng)。然而，將活性材料、絕緣的聚合物粘結(jié)劑和導(dǎo)電添加劑的混合物涂布于金屬箔集電器的傳統(tǒng)制備電池電極策略，由于隨機(jī)分布的導(dǎo)電相，通常會(huì)導(dǎo)致電子或離子瓶頸和較差的接觸。當(dāng)使用高容量電極材料時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)破壞傳統(tǒng)粘結(jié)劑系統(tǒng)的機(jī)械完整性，導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命下降。因此，設(shè)計(jì)能夠提供穩(wěn)定、低阻、連續(xù)的內(nèi)部通路以連接電極的所有區(qū)域的新型粘結(jié)劑系統(tǒng)至關(guān)重要。美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授(通訊作者)等綜述了有關(guān)新型粘結(jié)劑系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展。在新型粘結(jié)劑系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)介紹了具有豐富羧基的絕緣聚合物新型粘結(jié)劑、具有定制/可控分子結(jié)構(gòu)的多功能粘結(jié)劑以及基于導(dǎo)電聚合物復(fù)合物的多功能粘結(jié)劑。之后，文章對(duì)電池電化學(xué)過程中粘結(jié)劑的作用進(jìn)行機(jī)理解釋，總結(jié)了未來新型粘結(jié)劑系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。最后對(duì)多功能粘結(jié)劑的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

 

　　文獻(xiàn)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(xì)胞微環(huán)境的功能仿生材料

 

　　

 

 

 

　　圖11用于3D細(xì)胞微環(huán)境的功能仿生材料

 

　　細(xì)胞微環(huán)境已成為研究細(xì)胞行為和功能開發(fā)、生理學(xué)和病理生理學(xué)的關(guān)鍵因素之一。細(xì)胞微環(huán)境中的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)不僅是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也是觸發(fā)和調(diào)節(jié)細(xì)胞行為的三維生物化學(xué)和生物物理信號(hào)的來源之一。越來越多的證據(jù)表明，很多體內(nèi)觀察的重要細(xì)胞應(yīng)答的發(fā)展需要微環(huán)境的3D特性，這進(jìn)而引領(lǐng)了3D細(xì)胞微環(huán)境功能和仿生材料工程的發(fā)展。上述材料設(shè)計(jì)的進(jìn)展，改善了3D控制細(xì)胞行為，促進(jìn)了組織再生、體外組織模型、大型細(xì)胞分化、免疫治療和基因治療等領(lǐng)域的發(fā)展。然而，該領(lǐng)域仍處于起步階段，細(xì)胞微環(huán)境相互作用本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)持續(xù)推翻著早期的進(jìn)展。西安交通大學(xué)徐峰教授(通訊作者)等從細(xì)胞微環(huán)境、功能仿生材料設(shè)計(jì)以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用三方面展開了對(duì)三維細(xì)胞微環(huán)境的綜述，并對(duì)功能仿生材料設(shè)計(jì)中的仿生材料的分類、生物化學(xué)設(shè)計(jì)、生物物理設(shè)計(jì)以及材料特性去耦合進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

 

　　文獻(xiàn)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(fā)結(jié)構(gòu)材料

 

　　

 

 

 

　　圖12模仿自然結(jié)構(gòu)的人工結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用

 

　　在過去的二十年中，柔性電子器件領(lǐng)域已取得令人興奮的進(jìn)步，有望在未來人類生活中引發(fā)一場(chǎng)革命。然而，由于在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中活性材料較差的可持續(xù)性，構(gòu)建柔性器件已有了新的需求。因此，通過自然選擇發(fā)展出各種環(huán)境適應(yīng)性結(jié)構(gòu)和材料的天然材料分級(jí)體系結(jié)構(gòu)可啟發(fā)研究人員解決材料和工程技術(shù)的局限性。南洋理工大學(xué)陳曉東教授(通訊作者)等綜述了受天然材料啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料智能設(shè)計(jì)及其在構(gòu)筑柔性器件中的應(yīng)用。作者首先總結(jié)了能適應(yīng)機(jī)械變形的結(jié)構(gòu)材料，適應(yīng)機(jī)械變形是柔性器件能在復(fù)雜的環(huán)境中正常工作最基本的要求。之后，作者討論了受自然啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料的柔性器件的功能，包括機(jī)械傳感、能量采集、身體互動(dòng)等等。最后，作者為開發(fā)新結(jié)構(gòu)材料及其在未來柔性器件中的潛在應(yīng)用以及仿生功能的前瞻策略提供了一種思路。

 

　　文獻(xiàn)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(xù)儲(chǔ)氫中的均相催化

 

　　

 

 

 

　　圖13甲酸和醇類可持續(xù)儲(chǔ)氫中的均相催化

 

　　H2是一種環(huán)保、無污染的可再生能源，但其低密度影響了其有效應(yīng)用。因此，欲實(shí)現(xiàn)氫氣經(jīng)濟(jì)，高效的處理和存儲(chǔ)方法是亟待解決的關(guān)鍵因素。基于液體的存儲(chǔ)系統(tǒng)，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(chǔ)單元(如加氫站)，亦可作為運(yùn)輸燃料直接使用。然而，欲使能源基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)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(lián)邦理工學(xué)院的GáborLaurenczy和羅斯托克大學(xué)的Matthias Beller(共同通訊作者)等綜述了關(guān)鍵反應(yīng)即CO2加氫得甲酸和醇及其反向脫氫反應(yīng)的均相催化中的前沿進(jìn)展，其中從可再生原料制得的高級(jí)醇脫氫以及有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的信息也有提及。作者分析了均相催化劑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及在許多體系必需的助劑的作用，關(guān)注了可持續(xù)催化過程的最新進(jìn)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(xiàn)鏈接：Homogeneous Catalysis for Sustainable Hydrogen Storage in Formic Acid and Alcohols(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00182)