材料前沿最新综述精选(2017年12月第4周)

1.Science综述：电池电极的纳米尺寸电路

图1：电池电极、集成电路和生物电化学网络

发展高性能、经久耐用的电池是新一代电池技术的关键任务。研究者一般从以下两个方面提升电池电极性能：其一是发展新材料，其二是组装新结构。关于新材料的盘点已经有一些综述性的报道，新结构与化学反应的需求也可以通过开发空间计算工具来充分理解。然而，对于复合电极结构的尺寸、形状的设计和不同相位的排列等关键问题的相关报道却不多。这一不足突出了以下三个重要方面：(1)对此类复合体系动力学的理解不够深入；(2)对于许多材料，决定性的输运参数是无法测量或不确定的；(3)这个问题非常复杂，涉及多相和长度尺度。

近日，马克思普朗克固态研究所的Joachim Maier教授（通讯作者）等人在Science上发表了一篇关于电池电极材料的综述。该综述分为四个部分，首先讨论了基于输运参数与涉及到相位维度的电极动力学优化原理，接下来是用这些原理对近些年发展起来的新型纳米结构进行归类，然后总结了必要的制备方法，最后一节重点介绍了在近些年实验的最新结果。

文献链接：The nanoscale circuitry of battery electrodes (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aao2808)

2.Adv. Mater.综述：人造肌肉：机制、应用与挑战 

图2：从尼龙中扭曲人造肌肉用于获取热量

人造肌肉是一类可由外部刺激（电压、电流、压力、温度和光等）而产生可逆地收缩、膨胀或旋转的材料或器件的总称。人造肌肉是一个高度跨学科的研究领域，与材料科学、化工、机械工程、电气工程、化学等多种领域具有高度的交叉性和重叠性。由于近些年纳米材料的兴起，特别是碳纳米管和纳米线的迅速发展为人造肌肉的发展提供了重要的机遇。然而，现在研究者常常将驱动器与人造肌肉进行串用，导致很少研究者去考虑人造肌肉究竟能不能用于人体中发挥人类肌肉的作用。

近日，麻省理工大学Seyed M. Mirvakili教授（通讯作者）等人在Adv. Mater.上发表了一篇关于人造肌肉的综述。该综述首先介绍了关于人造肌肉的科学问题，然后具体讨论了人造肌肉的结构、致动机制、应用和局限性。此外，该文章还定义了一些用于测量人造肌肉的性能参数。

文献链接：Artificial Muscles: Mechanisms, Applications, and Challenges (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201704407)

3.Prog. Polym. Sci.综述：蛋白质模拟肽纳米纤维：基序设计、自组装合成和序列特异性生物医学应用

图3：自组装PMP纳米纤维在生物医学领域有着巨大的应用前景

自组装肽纳米结构的设计和功能纳米材料的制备为各种生物医学应用提供了重要平台。利用蛋白质模拟肽(PMP)系统的机械和生物学优势，将自组装的PMP纳米纤维与纳米粒子等纳米材料相结合，所制备的PMP基混杂纤维纳米结构有望成为先进技术的应用基础。

近日，北京化工大学苏志强教授，席勒耶拿大学的Klaus D. Jandt教授和不莱梅大学的Gang Wei教授（共同通讯作者）等人在Prog. Polym. Sci.上发表了一篇综述。在该综述中，研究者通过模拟几种蛋白质的性质和功能，主要介绍了PMP的序列和结构设计，以及PMP单体的设计与功能纤维生物材料的制备之间的关系。此外，还总结了各种肽基序的基本分类，并对基于功能的肽纳米结构的设计提供了一些指导，讨论了肽基设计和功能剪裁中的一些问题。最后，详细介绍了PMP纳米纤维基功能纳米材料在生物矿化、细胞培养、组织再生、药物传递、止血、生物成像和生物传感器等方面的研究进展。

文献链接：Protein-mimetic peptide nanofibers: motif design, self-assembly synthesis, and sequence-specific biomedical applications (Prog. Polym. Sci., 2017, DOI:10.1016/j.progpolymsci.2017.12.001)

4.Adv. Energy Mater.综述：低维钙钛矿:钙钛矿材料的合成及太阳能电池的稳定性

图4：原子级二维钙钛矿的表征

近年来，钙钛矿已经引起了各领域专家的强烈兴趣，包括太阳能电池、激光、发光二极管(LED)、水分离、光电探测器、场效应管等。从2009年钙钛矿太阳电池问世以来，其效率以及从3.8%迅速提升至22%。这说明钙钛矿本身是一种极具前景的材料，因而钙钛矿太阳能电池技术被誉为2016年最有前途的新兴技术之一。尽管钙钛矿是迄今为止最吸引人的材料之一，但其存在的不稳定性问题却严重阻碍了钙钛矿太阳能电池技术的商业化进程。然而二维钙钛矿的问世，为解决钙钛矿太阳能电池的不稳定性带来了曙光。

近期，洛桑联邦理工学院的Abd. Rashid bin Mohd. Yusoff教授和Mohammad Khaja Nazeeruddin教授（共同通讯作者）等人在Adv. Mater.上发表了一篇关于低维钙钛矿的综述。该综述首先介绍了在合成低维钙钛矿和生长机制方面的最新进展。随后，重点介绍了钙钛矿太阳能电池的不稳定性所导致其高成本的最佳解决方案。最后分析了钙钛矿型太阳能电池不稳定的起因，并概述了这些低维钙钛矿的主要成就和未来的发展方向。

文献链接：Low-Dimensional Perovskites: From Synthesis to Stability in Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater. ,2017, DOI: 10.1002/aenm.201702073)

5.Chem. Soc. Rev.综述：钙基生物材料用于诊断、治疗

图5：钙基生物材料在生物领域的主要应用

钙基生物材料，包括磷酸钙、碳酸钙、硅酸钙和氟化钙，由于具有良好的生物相容性和生物降解性，在生物医学领域得到了广泛的应用。近年来，钙基生物材料与成像造影剂和治疗剂被战略性地结合在一起，用于各种分子成像方式，包括荧光成像、磁共振成像、超声成像或多模成像，以及化疗、基因治疗等多种治疗方法。与其他无机材料如硅、碳、金基生物材料相较而言， 钙基生物材料可以溶解成离子，参与生物体的正常代谢，因此对人体无毒。这也为人们提供了更安全的临床疾病诊疗方案。

近日，深圳大学黄鹏教授（通讯作者）等人在Chem. Soc. Rev.上发表了一篇关于钙基生物材料的综述。该综述主要总结了钙基生物材料的最新进展，从种类、特性和制备方法到其在诊断、治疗和热疗法等方面的生物应用。最后还讨论了钙基生物材料的发展趋势和其中的关键问题，并展望了钙基生物材料的前景和面临的挑战。

文献链接：Calcium-based biomaterials for diagnosis, treatment, and theranostics (Chem. Soc. Rev. ,2017, DOI: 10.1039/c6cs00746e) 

6.Chem. Soc. Rev.综述：纳米系统中的光致变色：照亮未来的纳米世界

图6：石墨烯-二芳烯-石墨烯结示意图

光致变色是一种通过外部光激发材料本身化学反应的现象，其具有高空间和时间分辨率，同时在数字可控性方面具有独特优势，在原位远程操控纳米材料和纳米系统方面具有极大潜力。现已知的光致变色材料可在不同性质的不同状态之间经历可逆的光化学转化,这些性质已被广泛地引入各种功能纳米体系,例如纳米晶、纳米粒子、纳米电子学、超分子中。

近日，肯特州立大学的Quan Li教授（通讯作者）等人在Chem. Soc. Rev.上发表了一篇关于光致变色的综述。在这篇文章中，研究者综述了光致变色材料的结构和功能以及可逆光控纳米技术原理及其应用的近期进展。具体讨论了这类先进材料的重要设计概念，并且强调了它们的制备方法，着重介绍了它们的应用。最后简要概述了该领域还需要解决的挑战和以及可开发的潜力。

文献链接：Photochromism into nanosystems: towards lighting up the future nanoworld (Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00630f)

7.Acc. Chem. Res.综述：“巨型”半导体纳米晶的结构/性能关系：光子学和电子学领域的机遇

图7：巨型量子点的光致发光

半导体纳米晶表现出了许多优异的性能，如：尺寸调控吸收峰和发射峰、高吸收系数和高光致发光量子产率。量子点(QDs)可以通过生长另一种半导体材料的外壳来实现有效的表面钝化，这种核壳量子点结构被认为是最有效的模型系统。比如可以在量子点上生长厚厚的外壳(1.5到数十纳米)，以产生“巨型”量子点(g-QDs)。这种巨型结构可以扩大吸收光谱和发射光谱的光谱分离，改善光生载流子与表面缺陷的隔离，提高电荷载流子寿命和迁移率。然而，大多数稳定的系统受到一个厚壳层的限制，强烈地吸收低于500 nm的辐射，覆盖了紫外线和可见光的一部分。另外，g-QDs的带隙和能带对准可以通过适当的成分选择来进行调控。在大多数情况下，电子和空穴的准Ⅱ型局域化机制已经实现。在这种类型的量子点中，电子可以泄漏到壳层区域，而空穴仍然局限在核心区域。这种电子空穴的空间分布有利于光电子器件在保持良好稳定性的同时，有效地实现了电子空穴的分离。

近日，电子科技大学Federico Rosei教授、王志明教授和青岛大学赵海光教授（共同通讯作者）等人在Acc. Chem. Res.上发表了一篇关于“巨型”纳米晶量子点的综述。本文对胶体g-QDS的结构进行了总结，通过湿法化学合成对其光电性能进行了精细调整，描述了其电子和空穴定位以及电荷动力学。这对g-QDS的光学和电学行为有着深刻的影响。此外研究者重点突出了优化结构的潜力，这可以显著提高g-QD光电器件的效率和稳定性。

文献链接：Structure/Property Relations in “Giant” Semiconductor Nanocrystals: Opportunities in Photonics and Electronics (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00467)

8.Acc. Chem. Res.综述：锂离子电池中层状锂过渡金属氧化物正极材料的电化学特性：表面、本体行为和热学性质

图8：锂离子电池示意图与电极材料

层状锂过渡金属氧化物，特别是NMCs (LiNi_xCoyMn_zO₂)，是一种具有提高能量密度和寿命、降低成本、提高电动汽车和电网存储安全性的重要锂离子电池正极材料。研究者主要通过包括改变材料组分，阳离子替代等策略来提升电极材料的性能。并且通过了解这些策略对材料表面和体积的影响及其相关的结构-性能关系，来提升对NMCs材料的理解。

近日，劳伦斯伯克利国家实验室的Marca M. Doeff教授（通讯作者）等人在Acc. Chem. Res.上发表了一篇关于锂过渡金属氧化物锂离子负极材料的综述。该综述首先将广泛用于商业化电池的NMCs与同结构的LiCoO₂正极进行比。并且简要讨论了改变金属含量(Ni，Mn，Co)对NMCS结构和性能的影响。

文献链接：Electrochemical Characteristics of Layered Transition Metal Oxide Cathode Materials for Lithium Ion Batteries: Surface, Bulk Behavior, and Thermal Properties (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00520)

本文由材料人电子电工组金也供稿，材料牛整理编辑。

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