材料前沿最新综述精选(2017年9月第3周)
1. Science综述：冷分子：化学量子工程和量子物质的进展
图1：极性分子量子气体的产生与操控的实验设备与光学组件
将原子冷却到超低温可以为基础物理、精密测量和量子科学等领域创造无限可能。比如原本无法观测的化学反应，由于将分子冷却至超低温，使得分子的运动变得十分缓慢，同时分子间的反应过程也被放慢，这样就能实现对化学反应的实时观测。然而由于分子结构的复杂性，将冷却技术应用于分子层面上仍是极具挑战性的。精确控制分子内部和外部自由度以及理解由此产生的相互作用是这一领域的长期目标。近日，科罗拉多大学波尔得分校John L.Bohn, Ana Maria Rey, Jun Ye(共同通讯作者)等人综述了近些年冷却分子领域的研究进展，该技术为分子间相互作用、反应化学的控制和先进的量子材料的设计等这一系列研究提供一些的基本见解同时构建起各领域间的相互联系。
文献链接：Cold molecules: Progress in quantum engineering of chemistry and quantum matter(Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam6299)
2. Adv. Energy Mater.综述：从离子凝胶到离子溶液：电化学储能转换器件的新机遇
图2：两种不同硅离子凝胶的合成方法
离子液体能够有效提升超容与二次电池的能量存储能力，其在电化学方面的应用受到研究者的广泛关注。具体地说，研究者认为将离子溶液负载在纳米孔或者吸附在材料表面是一种很有前途的全固态储能策略。此外，吸附在表面的离子液体的特定属性(电化学窗口、离子电导率等)与约束效应可以通过调节宿主的孔隙度和化学性质来调节。近日，格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Benoit Coasne（通讯作者）等人对离子液体在电化学领域的新兴应用进行了讨论。
文献链接：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.综述：下一代能量收集存储器件中的自愈材料
图3：磁辅助自修复超级电容器的原理结构图
在过去十年，自修复材料取得了一系列重大突破，利用自修复材料来赋予器件自修复能力是一种特别有前途的方法，可以有效地提高器件的耐用性和功能化。香港理工大学郑子剑教授（通讯作者）等人对自愈合材料在能量收集和存储器件方面的研究进展进行了概述。该文章首先详细介绍了几种不同材料（包括绝缘体，导电体，半导体和离子导体）的自修复机制。然后对新兴发展的自修复储能器件的概念、制备技术与修复性能做了详细的描述。最后讨论了自愈材料与器件现有挑战和具有前途的解决方案。
文献链接:Self-Healing Materials for Next-Generation Energy Harvesting and Storage Devices(Adv. Energy Mater., 2017，DOI:10.1002/aenm.201700890)
4. Adv. Mater.综述：非金碳材料用于二氧化碳电化学还原
图4：基于碳原子键合态的普通碳材料
地球二氧化碳含量的迅速增加导致了许多环境问题，如温室效应、海洋酸化、冰川融化、物种灭绝。为了寻找合适的二氧化碳转换方法，科学家们做出了很多努力，其中电化学法还原二氧化碳被认为是最有前景的方法。其中催化剂是提升电化学催化效率的关键，由于异构碳材料具有自然资源丰富、可裁剪的多孔结构、抗酸碱、高温稳定性、环保等优点，因此被认为是最具有前景的非金属催化材料。并且这些材料表现出优异的催化性能：催化活性、高耐久性、高选择性。湖南大学马建民教授与北京大学郭少军教授（共同通讯作者）等人总结了各类应用于二氧化碳电化学催化剂的碳材料。对近期二氧化碳电化学还原的活性位点与还原路径进行了系统的综述。此外，对异构碳应用于催化剂提出了新的挑战与展望。
文献链接：Metal-Free Carbon Materials for CO2 Electrochemical Reduction(Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201701784)
5. Prog. Polym. Sci综述：含碳纳米材料聚合物复合水凝胶的形貌、力学特性和功能化性能
图5：含粘土、二氧化硅、碳纳米管和石墨烯复合水凝胶文章历年发表趋势
碳纳米材料以其独特的结构和技术性能成为研究的热点。南澳大利亚大学Ma Ju教授（通讯作者）等人在Prog. Polym. Sci上发表了一篇综述，通过研究纳米材料在水介质中的分散性及其与聚合物基体的相互作用，考察了纳米材料对复合水凝胶的形貌、力学性能和功能性能的影响。该篇综述详细介绍了水凝胶的合成方法、力学性能、电学性能和溶胀性能，突出论述了交联技术和结构与性能的关系。简要讨论了纳米材料的性能和制造技术，突出了纳米材料的优点和局限性。最后概述了目前有效利用碳纳米材料的挑战和机遇。
文献链接：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.综述：溶液与氧化物表面的分子水氧化机制
图6：太阳光驱动燃料敏化电池水氧化过程示意图
染料敏化太阳能电池结构为太阳能转换为太阳能燃料的实现提供了基础框架，但也面临着重大挑战，比如太阳本身性质带来的影响。本文由北卡罗来纳大学教堂山分校Thomas J. Meyer教授团队总结了该团队在该领域的研究进展，为染料敏化太阳能电池现有的挑战提出了展望。
文献链接：Mechanisms of molecular water oxidation in solution and on oxide surfaces(Chem. Soc. Rev., 2017, DOI:10.1039/c7cs00465f)
7. Chem. Soc. Rev.综述：应用分子工程解决治疗肽释放
图7：治疗肽在生物体释放需克服的障碍路线图
细胞内外的蛋白质及其相互作用必须被精心安排，才能保证机体的功能正常与生理调节。即使最轻微的不协调也会引起疾病。治疗性肽是一种较短的氨基酸序列，可以自然地连接在蛋白质之间形成结合界面，从而影响蛋白质间的相互作用。由于多肽具有良好的结合性，是下一代很有前途的恢复生物协调的个性化药物。同时肽具有高度选择性、安全性和生物相容性。然而，肽也容易受到许多体内药物的限制，如一些药物会限制了肽的临床转换。近些年分子、化学和纳米工程的蓬勃进展，为克服这些困难提供了契机。近日，芝加哥大学Mattew V. Tsukruk（通讯作者）等人在Chem. Soc. Rev.上发表了一篇综述，该综述专注于利用自组装运输车作为纳米粒子携带和保护治疗肽完成从输运到释放这一旅程，并将肽有效地释放到所需的有机组织中。
文献链接：Molecular engineering solutions for therapeutic peptide delivery(Chem. Soc. Rev., 2017, DOI:10.1039/c7cs00536a)
8. Chem.Rev.综述：混合纳米生物传感器的合成、组装与应用
图8：纳米工程堆砌并将其纳入纳米生物传感器
纳米材料具有稳健、灵敏和选择性探测的优点有助于实现生物传感的实时、准确、高通量等优点。但是，为了更具有市场竞争性，现有的纳米生物传感需要重大改进，尤其是在特异性、一体化、吞吐率和稳定性等方面需要提升。佐治亚理工学院的Vladimir V. Tsukruk（通讯作者）等人在Chem. Rev.上发表了一篇综述，该综述总结了近期混合纳米生物传感器的合成、组装与应用等方面的研究进展。
文献链接：Synthesis, Assembly, and Applications of Hybrid Nanostructures for Biosensing(Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00088)
9.Chem.Rev.综述：配体靶向药物传送
图9：理想配体靶向药物的设计
安全性和有效性是新药批准的主要标准。最大限度地提高安全性和有效性的最佳方法是提供一种经过验证的治疗剂，其靶向配体对健康细胞几乎没有亲和力，但对病理细胞具有高亲和力。可以通过显像剂结合的靶向配体来进一步增强被批准的效率。近日，普渡大学的Philip S. Low（通讯作者）等人在Chem. Rev.上发表了一篇综述，该综述致力于总结用最小毒性的配体靶向药物达到治疗效果的研究进展。
文献链接：Ligand-Targeted Drug Delivery (Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00013)
10.Chem.Rev.综述：电合成过程中的微流体反应器的应用
图10：质子交换膜流动微型反应器示意图
微流体反应器技术具有明显的基础优势和潜在优势，比如比表面积大、温度和停留时间的精确控制、分子扩散速度快、同时在反应过程中的安全性增加。这些优点可以广泛地应用于电合成技术，因此微流体反应器与化学结合引起了学术界和工业界浓厚的研究兴趣。横滨国立大学的Mahito Atobe（通讯作者）等人在Chem. Rev.上发表了一篇关于微流体的综述。该文详细综述了至今为止连续微流体反应器在电合成过程中的应用。
文献链接：Applications of Flow Microreactors in Electrosynthetic Processes(Chem. Rev., 2017, DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00353)
11.Acc. Chem. Res.综述：高纯度半导体单壁碳纳米管：新兴电子器件中的关键材料
图11：柔性衬底上全印刷碳纳米管晶体管
半导体单壁碳纳米管（SC SWCNTs）是一种很有前途的新型材料，同时具有高性能、高密度、低成本和大面积制备等优点。单壁碳纳米管可以广泛应用于数码电子、射频电路等领域，可以提高器件的灵活性和弹性。因此，单壁碳纳米管为许多电子器件的商业化带来曙光。然而电子产品的商业化将需要大量的SC单壁碳纳米管，因此单壁碳纳米管材料的制备与提纯技术仍是一项极大的挑战。目前科研人员已经开发了许多获得高纯度单壁碳纳米管方法，包括密度梯度超速离心法、色谱法和双水相萃取法等。通过这些方法可以制备纯度大于99%的单壁碳纳米管。但是，这些方法都有各自的缺点和局限性。近日，加拿大国家研究院Jacques Lefebvre和Patrick R. L. Malenfant（共同通讯作者）等人在Acc. Chem. Res上发表了一篇关于单壁碳纳米管的综述。该综述涵盖了单壁碳纳米管电子的三个相通的话题：计量、富集和单壁碳纳米管晶体管的制备流程。
文献链接：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.：基于铜催化的叠氮-炔基环加成反应(CuAAC)自愈合聚合物的点击化学
图12:CuAAC点击化学自愈合示意图
点击化学是由化学家巴里·夏普莱斯（K. B. Sharpless）在2001年提出的一个化学合成概念，主旨是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。点击化学的代表反应是铜催化的叠氮-炔基环加成反应，该反应为自主交联材料的应用奠定了基础。另一方面，自愈系统一般基于温和的交联化学，能够自主的触发反应。马丁路德大学Wolfgang H. Binder（通讯作者）等人在Acc. Chem. Res.上发表了一篇综述，展示了如何利用CuAAC反应作为一种制备自修复材料的工具，并且能够在较低的温度下实现交联。
文献链接：CuAAC-Based Click Chemistry in Self-Healing Polymers (Acc. Chem. Res.,2017, DOI:10.1021/acs.accounts.7b00371)
13.Acc. Chem. Res.综述：新原位技术用于模拟催化剂的研究
图13：表面原子定向排列的衍射图样
催化、单晶表面和分子之间的气−表面相互作用的研究已经有几十年。这些研究大多是在良好控制的环境中进行的，这对当今对催化的理解有帮助，可以提供有关催化的表面结构、吸附位置、吸附和解吸能量的信息。然而，这种方法被认为是远离高温和工业条件下的催化剂方式。因此，许多研究都在专注于研究能够在实际条件完成催化的方法。近日，德隆大学的Edvin Lundgren（通讯作者）等人在Acc. Chem. Res上发表了一篇综述，该团队专注于研究催化剂在工业条件下的应用，本文总结了其团队近些年在该领域的研究进展与重大发现。
文献链接：Novel in Situ Techniques for Studies of Model Catalysts (Acc. Chem. Res., 2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00281)
本文由材料人编辑部生物材料组刘于金供稿，材料牛整理编辑。
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