全球聚合物纳米复合材料顶尖研究团队介绍及最新研究进展梳理
复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或者两种以上的材料经过加工而成的多相材料。聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体连续相，以纳米尺寸的填充物为分散相的复合材料。其中纳米尺寸的分散相包括金属、半导体、无机盐纳米粒子，纳米纤维，碳纳米管，石墨烯等，这些纳米尺寸的材料通过适当的制备方法均匀分散在聚合物基底中，形成聚合物纳米复合材料。这一类材料糅合了不同材料成分和纳米材料的优点，产生协同效应，综合性能优于原组成材料，具有较高的机械性能、导电性、隔热性和生物兼容性。
聚合物纳米复合材料的合成及功能研究正处于一个快速创新的发展阶段，世界各国都有众多研究者们对聚合物纳米复合材料及其应用进行研究，并取得重大成果。目前，很多材料已经初步进入商业开发阶段。本文将结合部分国内外顶尖聚合物纳米复合材料研究团队及其研究进展，对聚合物纳米复合材料的研究现状和发展情况进行梳理。
夏幼南（佐治亚理工学院）
夏幼南于1996年毕业于哈佛大学，获得物理化学博士学位，师从George M. Whitesides 教授，现为佐治亚理工学院生物工程系和化学与生物化学系纳米医学领域Brock Family Chair及Georgia Rearch Alliance杰出学者。在加入佐治亚理工学院之前，夏幼南曾任职于美国华盛顿大学圣路易斯分校和圣路易斯华盛顿大学。夏幼南教授现担任美国化学会Nano Letters副主编，及Angewandte Chemie International Edition，Chemistry : A European Journal，Nano Today等多个杂志的编委。
夏幼南教授2017年获得美国材料研究学会奖章， 2014-2017连续4年入选汤森路透集团发布的化学领域和材料领域汤森路透高被引科学家名单，2014年当选ACS Fellow，并被汤森路透集团评为全球最有影响力的材料科学家（排名第4）。另外，夏教授还曾获得ACS贝克兰奖和材料化学奖，是第一位获得这两个奖项的华人科学家。他在任教以来，发表SCI 论文近700篇，被引用次数近十余万次，H因子为209。
夏幼南教授在聚合物纳米复合材料方面的研究主要应用在纳米医药和再生药物上，包括以下几个方面： （1）纳米晶体在生物系统方面的应用，旨在获得功能纳米晶体通过其光热效应进行医疗处理。在目前的研究中，课题组用智能聚合物包裹金纳米笼形成纳米胶囊用于靶向缓释递药，该系统具有极高的准确率。（2）将静电纺丝用于神经组织工程、递药系统、干细胞研究和腱-骨嵌入的修复。（3）高磁性胶体粒子对生物分子和细胞的分离、检测、改性和跟踪等方面的应用。
最近夏幼南教授课题组开发出一种蜂巢状多管道纳米纤维导管，并将其应用于末梢神经的修复。该导管的设计模仿了末梢神经结构，作者先用无序纳米纤维膜将定向排列的有序纳米纤维膜包裹卷成管状，然后将七个这样的管道包裹进一根大管道的内腔，形成蜂巢状多管道导管（图1）。在管壁之间导入粘合剂之后，该管道的强度和韧性能够达到外科手术操作的标准。
图1. 多管道纳米纤维导管示意图
Christoph J. Brabec（德国埃尔兰根-纽伦堡大学）
Christoph J. Brabec教授现任德国爱尔兰根－纽伦堡大学材料系主任和电子能源材料理工学院院长，德国应用能源研究会董事会主席（Head of Board of ZAE Bayern eV），2015年入选汤森路透集团评选的全球最有影响力的材料学家前1%。现已发表学术论文500余篇，被引用6万余次，H因子高于100。
Christoph J. Brabec教授一直从事有机电子和能源材料领域的研究，并致力于推进低成本有机薄膜光伏电池的商业化，率先完成了可再生能源领域，特别是在有机可印刷光伏领域研究体系的系统整合。其课题组近年来在有机光电材料混溶性以理论预测实验、全自动高通量表征制备有机太阳能电池等方面有很优秀的科研成果，给大家提供了新能源和有机光伏产业化的光明前景。
有机太阳能电池是20世纪90年代发展起来的新型太阳能电池，以有机半导体作为实现光电转换的活性材料。与无机太阳能电池相比，它具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，但缺点是能量转换效率较低，稳定性差和强度低。最近，Christoph J. Brabec课题组研发出一种基于P3HT（聚3-己烷噻吩）和ICBA（富勒烯C60）的纳米粒子墨水。该纳米粒子在乙醇中合成，分散粒径达80－100纳米，有效减少了粒子聚集，光伏转化率高达4.52%，高于目前同类有机光伏器件在水／醇体系中的转化率。此方法有望引发生态友好的有机光伏器件的研究热潮。
图2.P3HT/ICBA纳米粒子墨水（(a)-(d)）及有机光伏器件(e)
Philippe Dubois（比利时蒙斯大学）
Dr. Philippe Dubios是比利时蒙斯大学副校长、比利时皇家科学院院士，卢森堡大学荣誉教授，在有机化学、大分子化学、聚合物材料催化剂、聚合物熔融反应加工、纳米复合材料与工程以及生物基生物降解聚合物等一系列研究领域均有非常高的知名度与影响力。目前Philippe Dubios教授已发表超过700多篇科研论文，出版了8本学术专著，其个人H-Index达94，文章被引用4万多次。
近年来，Philippe Dubios教授致力于聚合物（PLA、纤维素）－硅纳米粒子／碳基复合材料、聚合物纳米晶体材料的研究，将其制备成形状记忆材料、光伏电子材料、表面保护材料等。
聚乳酸（PLA）是一种可降解、生物兼容性强的聚合物，具有良好的热机械性能，被广泛应用于生物、自动化和电子器件中。Philippe Dubios教授课题组尝试将表面改性的硅纳米粒子分散在聚乳酸基质中，两者通过静电作用结合，可获得固定性达100%和恢复率达79%的形状记忆材料。
图3. PLA/Si 纳米粒子复合材料及其形状记忆性能
马晓龙（密歇根大学）
马晓龙教授1992获得美国Rutgers大学博士学位，1993至1996年在麻省理工学院和哈佛医学院做博士后。现任美国密歇根大学生物医学工程系、工程学院大分子科学与工程中心和牙医学院教授。 2000年，马晓龙教授荣获“杜邦年轻科学家奖”，是密歇根大学首位获此殊荣的教授，2006年获选美国医学与生物工程学会荣誉会员，2007 年当选为美国医药生物工程学会（AIMBE）FELLOW。
马晓龙教授国际上最早开展组织工程支架研究的科学家之一， 其研究领域为生物医学材料及组织工程，仿生材料、可再生3D 功能组织、药物缓释、自组装及纳米材料等。马教授曾在各种国际国内学术会议及大学做200多次特邀报告和讲座。迄今已在专著及会议录上发表250多篇论文和章节，授权和申请美国专利30余项。论文被SCI引用25500次，H-index为76。
miRNA可以用来促进组织再生。最近，马晓龙教授课题组合成一种超支化聚合物，通过自组装形成纳米尺寸的双壳结构多聚物。该聚合体具有极强的miRNA亲和力和高转染率，几乎没有细胞毒性。利用微球结构包裹此多聚物和miRNA附着在纳米纤维支架上可以实现可控两步递送（图4）。此方法因应用无细胞支架便可实现miRNA治疗，解决了组织工程领域中可再生药物的关键难题。
图4. miRNA两步递送示意图
Craig J. HAWKER（加州大学圣巴巴拉分校）
Craig J. HAWKER教授1988年博士毕业于剑桥大学，现任职于加州大学圣巴巴拉分校，是该校纳米系统学院院长，材料系主任。2017年因其在聚合物研究领域做出的突出贡献获得ACS 颁发的Charles G. Overberger International Prize，2015年当选美国文理学科学院Fellow。Craig J. HAWKER教授研究方向主要包括大分子合成、生物和电子材料、聚合物自组装等，至今已发表SCI论文500余篇，被引用7万余次，H-index为139。
表面引发聚合是制备高强性功能聚合物的有效方法。Craig J. HAWKER教授课题组提出一种操作简单、无需金属多表面引发原子转移自由基聚合方法（SI-ATRP）（图5），该方法利用可见光调控，可在纳米粒子或者10cm平面上获得形貌整齐的聚合物纳米刷，为在大面积平面上制备复合功能材料提供了很好的视角和思路。
图5. SI-ATRP示意图
纳米技术赋予了传统聚合物新的性能，使其具有更好的机械性能、热力学性能、导电导热性能和生物兼容性，由此聚合物纳米尺寸的研究进入一个新的快速发展时期；同时，无机纳米材料与聚合物的复合也更能充分发挥两者的优点，在此基础上，新的研究领域和应用也将会不断出现并发挥重要作用。
前述文章列表
1. Nanofiber-Based Multi-Tubular Conduits with a Honeycomb Structure for Potential Application in Peripheral Nerve Repair. Macromolecular Bioscience., 2018, DOI: 10.1002/mabi.201800090
2. Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications. Accounts of Chemical Research., 2017. DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00218
3. Robot-Based High-Throughput Engineering of Alcoholic Polymer: Fullerene Nanoparticle Inks for an Eco-Friendly Processing of Organic Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces., 2018. DOI: 10.1021/acsami.8b03621
4. Shape-Memory Behavior of Polylactide/Silica Ionic Hybrids. Macromolecules., 2017. DOI: 10.1021/acs.macromol.7b001955. Cell-free 3D scaffold with two-stage delivery of miRNA-26a to regenerate critical-sized bone defects. Nature Communications., 2016. DOI: 10.1038/ncomms10376
5. Simple Benchtop Approach to Polymer Brush Nanostructures Using Visible-Light-Mediated Metal-Free Atom Transfer Radical Polymerization. ACS Macro Letters., 2016, DOI: 10.1021/acsmacrolett.6b00004
注：以上仅介绍了几个具有代表性的研究团队，还有很多其他优秀的团队同样有很多优秀的工作，但是由于篇幅的关系，我们在这里就不能一一列举了。
本文由材料人专栏科技顾问Sharon提供，材料牛编辑整理。
我们也曾报道过其他领域的顶尖研究团队进展情况，点击相应链接查看
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