材料人報告 | 當下的材料科學到底研究些什么？——以JACS封面為樣本

工欲善其事，必先利其器。在材料領域，從業者和科研人員需要對當下材料科學發展有一個全局的認識和了解才能運籌帷幄。從一名剛入學面臨選題的研究生到引領整個團隊方向的課題組帶頭人同樣需要對當下整個學科發展有一個全局的把握，進而準確的抓住機遇與挑戰。

《美國化學會志》 (Journal of the American Chemical Society, JACS) 作為化學與材料類雜志的龍頭，其總引證次數和被引次數雄踞第一，覆蓋面與信息量是其他雜志無法比肩的（——引自百度百科）。本文以JACS雜志為研究對象，對其2017年第139卷共49期（截止于2017年12月13日）封面文章進行分析，旨在了解和發現近期材料發展動態和研究熱點。

1.總論

2017年，JACS第139卷共49期封面文章包含48篇研究型文章（Article）和1篇評述型文章（Perspective）。根據封面文章內容將其分為7個大類：生命科學、材料制備、能源、環境、傳統化工、理論物理、信息技術。其中，各類屬封面文章數量如圖1 所示，生命科學24篇占比49.0%，材料制備12篇占比24.5%，能源7篇占比14.3%，信息技術及理論物理各2篇占比4.1%，環境、傳統化工各一篇占比均為2.0%。

生命科學以壓倒性數量占據了JACS 2017年一半數量的封面；能源類屬屈居第二；信息技術作為當今經濟社會快速發展的重要載體亦不容小覷，為滿足精細化多樣化要求，電子器件趨向于有機材料的利用與研究；隨著環境問題日益受到關注，環境在當今仍然不可被忽視；傳統化工作為國民經濟命脈是立國之本，無論何時都不會消逝退出歷史舞臺；材料制備與理論物理共占到了28.6%，這兩個類屬是新材料發現及新材料性能探究的過程，這兩個類屬內容的研究為其他五個種類的發展起到了基礎作用。下面，小編將會從生命科學、能源、材料制備、環境、傳統化工、基礎物理這幾個方面分別敘述。

圖1 2017年JACS封面文章不同類屬的數量

2.生命科學

人類歷史經歷了一個從克服自然——征服自然——效法自然的漫長過程。從單細胞生命起源到現在的復雜生態系統經歷了漫長的過程，從分子尺度——生物個體——種族——群落——生態圈都蘊含復雜而微妙的平衡關系。以植物的光合作用為例，現代科技至今未能設計制造出可與其相媲美的人工光合作用設備或器件。隨著人口增加、資源緊缺、經濟快速發展等多方面問題求諸于自然的智慧以及人類對自然更深的認識和理解，使得生命科學成為了研究熱點。例如，仿生學這一起源于上世紀60年代的學科已經使人類社會受益匪淺。

自上世紀40年代，生物學吸收數學、物理學和化學等的成就，逐漸發展成一門精確的、定量的、深入到分子層次的科學。21世紀伴隨科技發展（如冷凍電鏡）使得這一學科有條件去做進一步探索，但仍然處于初步階段。如圖2所示，目前超過50%的工作（機理探討和結構解析）是基礎研究，仍需要很長的路要走。盡管如此，其巨大的社會與經濟效益令人耳目一新，如生物檢測相較于無機材料更加精準、靈敏；新穎巧妙的生物材料已經廣泛應用在醫學領域的各方面（如軟骨，骨組織等）；癌癥一直以來是人類生命健康的撒旦之手，從根本上認識其作用機制是解決這一難題的不二法門。

圖2 2017年JACS封面生命科學類文章分析

3.能源

“我們需要利用所有能源，無論它們的經濟成本是否高昂。我們需要利用風能、太陽能和其他可再生能源。我們需要增加對核電的使用量。而且我們還需要利用煤、石油和天然氣，這一點非常重要。據分析，國際能源署 (IEA) 和其他權威能源機構都認為到 2040 年結束前，碳基燃料將繼續滿足全球約四分之三的能源需求。”

—— Rex W Tillerson，美國國務卿

化石能源時代必將會結束，我們如何在非化石能源時代繼續生存和發展是目前面臨的一個巨大問題。化石能源目前仍然無可替代；人類能夠做的是將有限的化石資源得到充分高效的利用，甚至推后結束這一時代的時間節點。風能、太陽能、氫能等清潔可再生能源是下一個能源時代的新興和希望。以儲能材料中太陽能電池為例，據Dataquest的統計資料顯示，全世界共有136個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中，其中有95個國家正在大規模地進行太陽能電池的研制開發，積極生產各種相關的節能新產品。此外，以鋰離子電池為首的各種金屬離子（Na、K、Mg、Ca、V等）固/液電池亦是研究熱點。

在環境和能源的雙重要求之下，氫能一直備受關注，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。如何能大量而廉價的生產氫是問題關鍵所在。水產氫是主要研究方向，其方法有：光解水、電催化、生物法等。研究較多的是制備高效的催化劑用于光解水和電解水制氫。光解水催化劑主要以鉭、鈮、鈦酸鹽類及多元硫化物為催化劑，通過納米結構的調控、離子摻雜、貴金屬沉積、半導體復合等來優化其催化性能。雖然析氫反應被視為最簡單的電化學反應，但是幾十年來困擾著電化學產氫的3個基本限制依然存在：i)對于電解水制氫，現實工業中的運行效率遠遠低于熱力學限制（1.223V）；ii)電極材料的使用壽命太短；iii)缺乏有效的低成本催化劑取代貴金屬材料，這也是該領域研究的熱點。相關內容可參考：材料牛——析氫反應催化劑材料的設計原則。

圖3 2017年JACS封面能源類文章分析

4.材料制備

2017年共49期JACS封面文章中，有12篇材料制備的文章，其中1篇為觀察報道（perspective）。其中，新材料的制備及物性探究2篇、host-guest化學2篇、孔材料2篇以及材料結構設計6篇，碳材料制備占到了75%。面對多樣化、精細化的市場和社會需求，這些材料在醫療、能源、環境、半導體等方面都具有應用的潛力和價值。物質基礎決定上層建筑，優質材料決定了其廣闊應用前景。

圖4 2017年JACS封面材料制備類文章分布

4.1 新材料制備及物性探究

以富勒烯為例，這是一種物理性質穩定，化學性質活潑的分子。研究人員對其研究興趣在于其廣泛的應用前景。富勒烯在材料、化學、超導與半導體物理、生物等學科和激光防護、催化劑、燃料、潤滑劑、合成、化妝品、量子計算機等工程領域具有重要的研究價值和應用前景。同樣，合成的碗型有機硅與富勒烯類似，是有彎曲的π共軛化合物,也許與富勒烯具有同樣的應用前景。

4.2 Host-Guest 化學

Host-Guest化學是超分子化學的一個分支，在近幾十年取得了巨大的進展，開始向生命和材料等學科領域滲透。主客體化學在分子識別、分子元件及化學物質檢測器設計、化學反應催化劑制備、稀有金屬及其化合物分離和提純以及環境等領域中都有著廣泛的應用。

4.3 孔材料

孔材料最早可追溯到19世紀40年代，距今已有將近200年歷史。最早研究的孔材料有分子篩和沸石，已廣泛應用于現代工業如石油裂解、催化、甲烷存儲等。金屬有機框架材料（MOFs）在上世紀90年代開始研究，其多孔性被Yaghi和Kitagawa等科學團隊發現和建立后，極大地促進了這類材料的快速發展和應用。這類材料具有高比表面積、規則有序和可調的孔徑大小和形狀以及易功能化等特點，成為了非常有應用前景的多功能材料。其功能性活性位點可以來自于金屬離子/簇中心，也可以來自于有機配體及孔道內的客體分子，同時兩個或多個具有不同化學/物理性能的有機/無機單元可以同時引入MOFs材料中形成具有多個功能的先進材料。這些獨特的優勢使得MOFs材料近年來被廣泛地作為一種可調控的平臺發展各種類型的多功能材料（引自materials views china）。

共價有機框架材料（COFs）是具有擴展結構、通過共價鍵橋聯的二維或三維結構有機固體。COFs是多孔的晶體結構，完全由輕質元素（H/C/N/B/O）制成。該材料可從分子尺度制備塊體材料，是可被功能化應用的輕質材料。例如氫氣、甲烷存儲，二氧化碳捕捉，光學以及孔結構效應（氣體分離，催化）應用等。

4.4 結構設計

在過去的幾十年內，納米晶體和量子點作為納米科學技術發展的排頭兵，有著廣泛的應用，如光電子學、生物技術等。有機大分子自組裝可得到一系列新材料，如形成平整光滑的超分子膜，具有防腐、防污性能。

5.其他（環境、傳統化工、基礎物理）

環境問題是當今全球關注的熱點問題，特別是在國內，由于過去粗放型發展導致土地、水源、空氣污染問題突出。在政府的“綠水青山就是金山銀山”的政策引導下，急需科研機構尋求解決問題的辦法。

傳統化工仍然是當今社會生活中基礎，我們吃穿住行都離不開這一行業的支持。以乙烯為例，作為有機化工基本原料有著舉足輕重的位置，從吃飯穿衣到航空航天都與其息息相關。

基礎物理使得人們從原子、電子層次結合量子力學原理來對物質進行更深層次的理解和認識。

6.小結

根據JACS 2017年49篇封面文章的分析，大家對目前的熱點有了一個大概的了解。毋庸置疑，生命科學是當仁不讓的科研圈超新星，而材料的使用與制備更加傾向于碳材料的應用。此外，材料學與各個學科的融合與交叉促進了新材料的產生和現有材料的新應用。以材料與納米科學的交叉融合造就了如今材料的“黃金時代”，再比如仿生學，材料與生物的交叉等等，這也體現出科學向綜合性發展的趨勢。

2017年JACS封面文章鏈接：

Issue 1:?Interfaces Select Specific Stereochemical Conformations: The Isomerization of Glyoxal at the Liquid Water Interface (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b10208)

Issue 2: Microfluidic Assembly of Monodisperse Vesosomes as Artificial Cell Models(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b10977)

Issue 3: Description of Hydration Water in Protein (Green Fluorescent Protein) Solution(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b08845)

Issue 4: Porous Field-Effect Transistors Based on a Semiconductive Metal?Organic Framework(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b08511)

Issue 5: The Formation Time of Ti?O? and Ti?O??Ti Radicals at the n?SrTiO₃/Aqueous Interface during Photocatalytic Water Oxidation(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b09550)

Issue 6: Mechanistic Insights into Tunable Metal-Mediated Hydrolysis of Amyloid?β Peptides(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b09681)

Issue 8: The Orbital Selection Rule for Molecular Conductance as Manifested in Tetraphenyl-Based Molecular Junctions(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b10837)

Issue 9: Polymer Structure and Conformation Alter the Antigenicity of Virus-like Particle?Polymer Conjugates(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b11643)

Issue 10: Native State Volume Fluctuations in Proteins as a Mechanism for Dynamic Allostery(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b12058)

Issue 11: Decasilahexahydrotriquinacene and Decasilaisotwistane: σ Conjugation on a Bowl Surface(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00250)

Issue 12: Physical Organic Approach to Persistent, Cyclable, Low-Potential Electrolytes for Flow Battery Applications(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00147)

Issue 13: Stabilization of Giant Fullerenes C2(41)?C90, D3(85)?C92, C1(132)?C94, C2(157)?C96, and C1(175)?C98 by Encapsulation of a Large La₂C₂ Cluster: The Importance of Cluster?Cage Matching(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b11970)

Issue 14: Controlling Photorelaxation in Uracil with Shaped Laser Pulses: A Theoretical Assessment(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b12033)

Issue 15: Engineering a Catalytically Efficient Recombinant Protein Ligase(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b12637)

Issue 16: Metal-Controlled Magnetoresistance at Room Temperature in Single?Molecule Devices(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b11166)

Issue 17: Molecular Recognition within the Cavity of a Foldamer Helix Bundle: Encapsulation of Primary Alcohols in Aqueous Conditions(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00181)

Issue 18: Hydrogen Tunneling above Room Temperature Evidenced by Infrared Ion Spectroscopy(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b10348)

Issue 19: C?I···π Halogen Bonding Driven Supramolecular Helix of Bilateral N?Amidothioureas Bearing β?Turns(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b13171)

Issue 20: A Rational Entry to Cyclic Polymers via Selective Cyclization by Self Assembly and Topology Transformation of Linear Polymers(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01151)

Issue 21: Next Generation Precision-Polyesters Enabling Optimization of Ligand?Receptor Stoichiometry for Modular Drug Delivery(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b13231)

Issue 22: Overcoming the Limits of Hypoxia in Photodynamic Therapy: A Carbonic Anhydrase IX-Targeted Approach(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b02396)

Issue 23: Diversity-Oriented Stapling Yields Intrinsically Cell-Penetrant Inducers of Autophagy(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01698)

Issue 24: Plasmonic Photothermal Gold Bipyramid Nanoreactors for Ultrafast Real-Time Bioassays(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01779)

Issue 25: Healing High-Loading Sulfur Electrodes with Unprecedented Long Cycling Life: Spatial Heterogeneity Control(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b12358)

Issue 26: Probing the Effects of Gating on the Ion Occupancy of the K+ Channel Selectivity Filter Using Two-Dimensional Infrared Spectroscopy(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01594)

Issue 27: In Situ Electron Microscopy of Plasmon-Mediated Nanocrystal Synthesis(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03668)

Issue 28: Salen-Based Covalent Organic Framework(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01523)

Issue 29: Three-Dimensional Imaging of Transparent Tissues via Metal Nanoparticle Labeling(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04022)

Issue 30: Methane Oxidation to Methanol Catalyzed by Cu-Oxo Clusters Stabilized in NU-1000 Metal?Organic Framework(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b02936)

Issue 31: Creation of a Synthetic Ligand for Mitochondrial DNA Sequence Recognition and Promoter-Specific Transcription Suppression(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05230)

Issue 32: Synthesis and Exciton Dynamics of Donor-Orthogonal Acceptor Conjugated Polymers: Reducing the Singlet?Triplet Energy Gap(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03327)

Issue 33: Terpene Cyclizations inside a Supramolecular Catalyst: Leaving Group-Controlled Product Selectivity and Mechanistic Studies(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04480)

Issue 34:Observation of Photovoltaic Action Photoacid-Modified Nafion Due to Light-Driven Ion Transport (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00974)

Issue 35: Dispersion and Halogen-Bonding Interactions: Binding of the Axial Conformers of Monohalo- and (±)-trans-1,2-Dihalocyclohexanes in Enantiopure Alleno-Acetylenic Cages(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05461)

Issue 36: Highly Active, Nonprecious Electrocatalyst Comprising Borophene Subunits for the Hydrogen Evolution Reaction(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b06337)

Issue 37: Proton-Based Structural Analysis of a Heptahelical Transmembrane Protein in Lipid Bilayers(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05269)

Issue 38: Writing on Nanocrystals: Patterning Colloidal Inorganic Nanocrystal Films through Irradiation-Induced Chemical Transformations of Surface Ligands(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05888)

Issue 39: Molecular Mechanism for the (?)-Epigallocatechin Gallate-Induced Toxic to Nontoxic Remodeling of Aβ Oligomers(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05012)

Issue 40: “Roller-Wheel”-Type Pt-Containing Small Molecules and the Impact of “Rollers” on Material Crystallinity, Electronic Properties, and Solar Cell Performance(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05801)

Issue 41: Supramolecular Self-Assembly in a Sub-micrometer Electrodic Cavity: Fabrication of Heat-Reversible π?Gel Memristor(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04347)

Issue 42: Supramolecular Sensors for Opiates and Their Metabolites(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b06371)

Issue 43: Crystal Structure of Faradaurate-279: Au279(SPh?tBu)84 Plasmonic Nanocrystal Molecules(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b08651)

Issue 44: Targeting Unoccupied Surfaces on Protein?Protein Interfaces(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05960)

Issue 45: Protospacer Adjacent Motif-Induced Allostery Activates CRISPR-Cas9(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05313)

Issue 46: Adenosine-Phosphate-Fueled, Temporally Programmed Supramolecular Polymers with Multiple Transient States(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07469)

Issue 47: Ligands Make the Difference! Molecular Insights into Cr^VI/SiO₂ Phillips Catalyst during Ethylene Polymerization(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07437)

Issue 48: Highly Efficient Flavin?Adenine Dinucleotide Glucose Dehydrogenase Fused to a Minimal Cytochrome C Domain(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07011)

Issue 49: Combining in Vitro and in Silico Single-Molecule Force Spectroscopy to Characterize and Tune Cellulosomal Scaffoldin Mechanics(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07574)

編者按：以材料人網站為交流平臺，匯聚了廣泛的科研圈的讀者，可謂“四美具，二難并”。小編以自己有限的能力水平說出自己的一點認識與見解，正所謂鐘期既遇，奏流水以何慚？希望閱此文章者不吝賜教，歡迎大家留言交流！

本文由材料人編輯部納米學術組Mr_PSP供稿。

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