材料前沿最新綜述精選（2018年6月第3周）

1.Chemical Society Reviews: 多孔材料中設計單點和納米封閉光催化劑用于環境和太陽能燃料的研究

圖1 隨著光催化劑尺寸的減小，帶結構的改變以及限制在多孔材料如沸石，介孔二氧化硅和MOF中的等離子體激元催化劑上的LSPR激發示意圖

二氧化硅基微米，中孔，大孔材料為設計單點光催化劑，支持半導體納米粒子，錨定光響應金屬配合物以及封裝金屬納米粒子以利用其大表面積、可控的孔道、對UV / vis具有顯著的透明度以及特殊的物理化學表面特性來驅動光化學反應提供了很好的路線。近日，大阪大學的Hiromi Yamashita和Kohsuke Mori以及巴黎第六大學的Michel Che（共同通訊）等人重點關注了二氧化硅負載的鈦催化劑從單中心催化劑到納米顆粒的光催化性能以及它們的表面化學工程如疏水改性和薄膜合成以及納米催化劑的制備，包括具有局域表面等離子體共振的、形態可控的等離子體納米結構。另外，文章還討論了可見光響應性金屬絡合物與多孔材料的雜化以構建功能性無機-有機超分子光催化劑的研究。此外，作者還介紹了以MOF作為設計光催化系統的優秀主體的最新進展。

文獻鏈接：Single-site and nano-confined photocatalysts designed in porous materials for environmental uses and solar fuels.(Chem Soc Rev, 2018, DOI: 10.1039/c8cs00341f)

2.Chemical Society Reviews：磷烯：用于多學科生物醫學應用的下一代二維納米平臺

圖2 磷烯的生物醫學應用

磷烯也被稱為單層或少層黑磷（FLBP），是二維（2D）材料族的新成員，近年來由于其獨特的理化性質和優異的生物相容性而在光電子學，能量存儲和生物醫學領域引起了極大的關注。另外，由于其內在的熒光（FL）和光聲（PA）性質以及可忽略的細胞毒性，FLBP被認為是用于癌癥診斷的潛在生物成像劑。其獨特的物理性質，例如近紅外（NIR）光學吸光度，大的消光系數，可生物降解性和活性氧（ROS）或光照射時產生的熱量，使得基于FLBP的光熱和光動力療法已經出現，并且已被人們證實確實具有優異的抗腫瘤治療功效。此外，FLBP由于其具有超大表面積的起皺層結構而具有高載藥能力，因而它還是一種非常有前景的藥物遞送平臺，并且FLBP大小可控且易于進行表面化學修飾。由于FLBP納米材料在生物醫學應用中的顯著優勢，近日，高麗大學的Jong Seung Kim和深圳大學的張晗（共同通訊）等人介紹了用于多學科生物醫學應用的FLBP納米平臺的最新進展和范例。

文獻鏈接：Omnipotent phosphorene: a next-generation,two-dimensional nanoplatform for multidisciplinary biomedical applications.(Chem. Soc. Rev,2018,DOI: 10.1039/c8cs00342d)

3.Accounts of Chemical Research：分子方法在具有仿生特性的共軛聚合物中的應用

圖3 共軛聚合物性質及應用概覽

共軛聚合物（CPs）是一類具有獨特光電特性的有機聚合物材料。它們可以通過氧化還原過程在絕緣狀態和（半）導電狀態之間可逆轉換。重要的是，它們都是電子和離子導體，尤其是在水性介質中，離子交換對于理解生物實體和電子材料之間的相互作用至關重要。并且它們可以通過化學官能化在生物相容性，柔韌性和光學，電子，電化學和機械性能的可調性方面發現其他優勢。由于上述性質，CP已被廣泛認可為生物醫學應用中的新型材料，并可在涉及生物學與人造電子學之間相互作用的材料生物電子學領域發揮重要作用。 其在組織工程，生物傳感，藥物遞送和可穿戴電子設備等方面的應用需要仿生材料將生物系統（如器官，組織，細胞等）中的生理和化學過程轉變成電信號，或者相反。 然而，軟生物元素和剛性電子材料物理性質的差異則需要具有仿生特性的新型導電或電活性材料作為橋梁。

利用有機材料（如共軛聚合物）的軟電子設備可為生物電子學帶來許多重要特性。 在共軛聚合物的許多優點中，通過側鏈工程來調節生物相容性，溶解性，功能性和機械性能的能力可以減輕機械失配的問題，并提供電子學和生物元件之間更好的界面。 另外，共軛聚合物通過可逆摻雜工藝使其兼具離子和電導性，為直接感應和刺激細胞，組織和器官中的生物過程提供了手段。近日，奧克蘭大學的Jadranka Travas-Sejdic（通訊作者）等人重點關注了其團隊在共軛聚合物分子工程方面的進展，討論了基于具有長側鏈的共軛聚合物的修飾，這些共軛聚合物具有可調仿生性能，如生物相容性，響應性，拉伸性，自愈性和粘附性。文章闡述了該研究團隊通用和多功能的研究方法，即基于具有長側鏈的共軛聚合物的官能化及應用。并指出共軛聚合物的分子工程學對研究具有離子和導電性以及下一代生物電子學所需的具有良好機械性能的有機電子產品極具前景。

文獻鏈接：Molecular Approach to Conjugated Polymers with Biomimetic Properties.(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00596)

4.Advanced Energy Materials：用于電池的金屬有機框架衍生碳

圖4 四種MOF材料的代表性例子

近年來，基于金屬 - 有機框架前體或模板的具有高孔隙率，高表面積和功能的碳和碳基材料的應用引起了人們極大的研究興趣，特別是在電池研究中。 通過各種金屬 - 有機骨架前體或模板的熱處理獲得的碳和碳基材料的化學和物理性質在一定程度上可以得到改善。 近日，揚州大學的徐強和龐歡（共同通訊）等人概述了金屬 - 有機框架（金屬/碳，金屬氧化物/碳，氮摻雜碳，多孔碳等）衍生的碳材料的合成方法和電化學性能及其在電池中的應用。

文獻鏈接：Metal-Organic Framework-Derived Carbons for Battery Applications.(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800716)

5.Energy & Environmental Science：無機固態離子導體的新視野

圖5 鋰離子電池性能表征

在新一代能源儲存領域的競爭者中，全固態電池（ASSB）由于具有安全性高，能量密度高和循環壽命長的潛力而顯得極具前景。大多數固體電解質相對較低的電導率以及固體電解質與電極層之間界面處的電荷轉移動力學的緩慢過程被認為是ASSB面臨的主要挑戰。近日，吉森大學Jürgen Janek，滑鐵盧大學 Linda F. Nazar，清華大學南策文院士，馬普固態研究所Joachim Maier，CIC nergigune的 Michel Armand以及中科院物理所陳立泉院士（共同通訊）等人概述了固態鋰離子和鈉離子導體的現狀，重點介紹了無機材料。解釋了固體電解質組成，結構與電導率之間的相關性，并提出了提高離子電導率的策略。 特別指出，固體氧化物電解質的高晶界電阻是一個挑戰。 除此之外，文章還闡述了它們在實際應用中的潛在問題。 同時討論了固體電解質的化學和電化學穩定性，以及在一定程度上被忽略的化學機械效應。此外，作者還提出了改善ASSB實際性能的策略，包括優化固體電解質和電極材料之間的界面以改善穩定性和降低電荷轉移阻力等。

文獻鏈接：New Horizons for Inorganic Solid State Ion Conductors.(Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01053F)

6.Advanced Materials:醫學可穿戴設備

圖6 可穿戴設備用于醫療應用

作為醫療技術的可穿戴設備正在成為個人分析，測量身體狀況，記錄生理參數或通知用藥時間表的組成部分。這些不斷發展的技術平臺不僅承諾幫助人們追求更健康的生活方式，還提供持續的醫療數據，以積極跟蹤代謝狀態，診斷和治療。微型柔性電子設備，電化學生物傳感器，微流體技術和人工智能算法的發展帶來了可穿戴設備在物聯網中生成實時醫療數據的過程。這些靈活的設備可以與表皮，眼睛，耳蝸內和牙齒界面相接觸以收集生物化學或電生理信號。近日，慕尼黑工業大學的Ali K. Yetisen（通訊作者）等人討論了可穿戴電子產品，商業和新興設備以及制造方法中的消費趨勢。闡述了使用生物傳感器對生命體征的實時監測，及其用于藥物輸送的刺激響應材料以及閉環神經系統的過程。這些涵蓋了增強、虛擬和混合現實，通信模式，能源管理，顯示，符合性和數據安全等方面的未來挑戰。面向患者的可穿戴技術的發展及其在隨機臨床試驗中的應用將有助于設計更加安全有效的方法。

文獻鏈接：Wearables in Medicine.(Adv.Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706910)

7.Advanced Materials: 基于無機p型半導體材料的光電探測器

圖7 a）單個Zn₃As₂ NW基光電探測器的示意圖。 b）由不同波長的光照射的單個Zn₃As₂NW光電探測器的I-V曲線; 插圖顯示了設備的SEM圖像。 c，d）器件的動態I-t曲線。

光電探測器是現代光電探測系統的核心部分，具有眾多的商業和科學應用。p型半導體材料在光電子器件中起著重要的作用。基于p型半導體材料的光電探測器由于其獨特的性質近年來引起了研究者極大的關注。 近日，復旦大學方曉生（通訊作者）等人介紹了基于無機p型半導體材料的光電探測器的最新進展。 討論并總結了包括光電導體，光電晶體管，同質結，異質結，p-i-n結以及基于無機p型半導體材料的光電探測器的金屬半導體結在內的各種結構，同時強調了這個研究領域的未來發展方向。

文獻鏈接：Photoelectric Detectors Based on Inorganic p-Type Semiconductor Materials.(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706262)

8.Progress in Materials Science:聚合物/ SiO₂納米復合材料的制備及應用

圖8 溶膠 - 凝膠法的示意圖

目前，納米復合材料（NC）的合成和制備已成為世界學術和工業研究的主要課題之一。NC是多組分體系，其包括基質以及一種或多種分散的填料。同時，后者在至少一個維度上具有100納米以下的尺度。根據所用基體的類型，NC可以分為三大類，包括陶瓷基體（如Al₂O₃，SiO₂），金屬基體（如Fe，Mg）和聚合物基體。包含無機部分作為納米填料和聚合物作為有機基質的聚合物NCs正在成為21世紀的重要材料。所有類型的聚合物都可以選擇為包含熱塑性塑料，熱固性塑料，彈性體，甚至聚合物共混物的基體。

目前，納米復合材料（NC）是最具吸引力的材料，它們幾乎存在我們生活的各個方面。在不同類型的NC中，基于聚合物的NC是其中的重要代表，并且具有更多的附著物。聚合物不僅可以通過容易且相對廉價的途徑制備，并且具有許多有利的性質，例如輕質，延展性和柔韌性。 而聚合物/二氧化硅NC（PSNC）更是因為具有出色的性能而吸引了人們的關注。近日，伊斯法罕理工大學的Shadpour Mallakpour（通訊作者）等人闡述了這些NC的納米構建及其制備方法。主要集中在NC的制造策略上，文章最后討論了最新提出的其最重要的屬性和相關的實際應用。

文獻鏈接：Polymer/SiO₂ nanocomposites: Production and applications.(Prog. Mater. Sci. 2018, DOI：10.1016/j.pmatsci.2018.04.002)

9.Joule: 用于多結太陽能電池的高帶隙鈣鈦礦材料

圖9 具有鈣鈦礦結構的多結太陽能電池配置示例

用于多結太陽能電池的高帶隙（> 1.7 eV）混合鹵化物鈣鈦礦通常受光誘導相分離的影響，而引發對開路電壓有害的子帶隙缺陷。盡管可以逆轉這種效應，例如當將電池置于黑暗中時，但具有增強穩定性的新鈣鈦礦組合物依然很重要。近日，洛桑聯邦理工學院的Terry Chien-Jen Yang（通訊作者）等人綜述了傳統的基于甲基銨和甲脒的混合鹵化物之外的組成可能。這些可選的吸收劑組合物包括：（1）分層或準2D鈣鈦礦，其中較大的有機陽離子結合到結構中; （2）無機鈣鈦礦（即有機組分全部被除去時）;和（3）無鉛結構，其中有毒的鉛被一種或多種元素取代。作者考慮到多結太陽能電池的整合，同時討論了基于這些成分的高效和穩定的鈣鈦礦材料的發展前景。

文獻鏈接：High-Bandgap Perovskite Materials for Multijunction Solar Cells.(Joule,2018,DOI:10.1016/j.joule.2018.05.008)

10.Advanced Materials: 生物力學交互材料和界面

圖10 生物界面上機械線索的復雜網絡

具有可編程功能的生物醫學材料的飛速發展顯著推動了醫學科學和技術的進步，這主要是通過調節其界面處的生物物理化學相互作用實現的。傳統上，生物響應材料可以響應多種生物醫學應用中的病理生理學條件，包括pH，氧化還原，缺氧，ATP等先天生物信號和病理異常葡萄糖和酶。近年來，生物機械應答材料作為生物應答材料的一個有前景的子類別出現，當受到生物力學刺激（身體運動，心臟跳動，血流等）時可以實現生物醫學功能，如藥物輸送和醫療保健監測等。它通過利用生物力學刺激在開發高性能生物力學響應材料方面引起了巨大的關注，這些生物力學刺激產生于推動，拉伸和彎曲等身體動作以及細胞收縮性以激活編程功能的執行。

工程材料與生物界面的相互機械作用早已在生物醫學應用中被觀察和利用。它有助于生物力學響應材料和生物力學刺激材料的興起，可以構成生物力學的交互界面。近日，南洋理工大學的陳曉東（通訊作者）等人介紹了可用于機械響應界面的內源性和外源性生物力學刺激，并概括了它們的機械響應，包括變形和體積變化，物理和化學鍵的機械操縱，組件的解離以及與熱反應性的耦合等。然而，機械刺激材料能夠提供包括剛度，粘彈性，幾何約束和機械載荷的機械提示，以通過適應性細胞機械轉導來調節活組織的生理和病理行為。生物力學交互材料和界面廣泛應用于機械手術治療和診斷，自適應生物物理傳感器，生物整合軟啟動器和機械負壓組織工程等領域，為精密和個性化醫療提供了前所未有的機遇。

文獻鏈接：Biomechano-Interactive Materials and Interfaces.(Adv. Mater. , 2018，DOI: 10.1002/adma.201800572)

11.Advanced Materials: 能源收集研究：從單一來源到多源

圖11 a）ABO₃結構鈣鈦礦和b）有機硫化物鈣鈦礦（例如CH₃NH₃PbI₃）晶胞示意圖。

能量收集技術可被視為取代電池并為無線傳感器網絡提供長期電源的最終解決方案。回顧其研究歷史，單個能源收集器將單一能源轉化為電力是首先開發的，其次是為多種能源設計的混合對應設備。最近，人們提出了一種真正的多源能量收集器的概念，該收集器僅由一塊材料構成，作為能量轉換組件。近日，奧盧大學的白洋（通訊作者）等人從材料和設備配置的角度詳細闡述了能量收集的研究。它涵蓋單一來源設備，包括太陽能，熱能，動能和其他類型的能量收集器，針對單個和多個能源以及單個材料和多源能量收集器的混合能量收集配置。此外還包括光伏，電磁，壓電，摩擦電，靜電，電致伸縮，熱電，熱電，磁致伸縮和電介質器件的能量轉換原理。這是迄今為止進行的最全面的綜述之一，文章側重于整個能量收集的研究，并提供了從科學界各個角落尋求更深入和更具體的研究參考資料和資源的指南。

文獻鏈接：Energy Harvesting Research: The Road from Single Source to Multisource.(Adv. Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201707271)

本文由材料人納米組Jing供稿，材料牛整理編輯。

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