全球聚合物納米復合材料頂尖研究團隊介紹及最新研究進展梳理
復合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或者兩種以上的材料經過加工而成的多相材料。聚合物納米復合材料是以聚合物為基體連續相，以納米尺寸的填充物為分散相的復合材料。其中納米尺寸的分散相包括金屬、半導體、無機鹽納米粒子，納米纖維，碳納米管，石墨烯等，這些納米尺寸的材料通過適當的制備方法均勻分散在聚合物基底中，形成聚合物納米復合材料。這一類材料糅合了不同材料成分和納米材料的優點，產生協同效應，綜合性能優于原組成材料，具有較高的機械性能、導電性、隔熱性和生物兼容性。
聚合物納米復合材料的合成及功能研究正處于一個快速創新的發展階段，世界各國都有眾多研究者們對聚合物納米復合材料及其應用進行研究，并取得重大成果。目前，很多材料已經初步進入商業開發階段。本文將結合部分國內外頂尖聚合物納米復合材料研究團隊及其研究進展，對聚合物納米復合材料的研究現狀和發展情況進行梳理。
夏幼南（佐治亞理工學院）
夏幼南于1996年畢業于哈佛大學，獲得物理化學博士學位，師從George M. Whitesides 教授，現為佐治亞理工學院生物工程系和化學與生物化學系納米醫學領域Brock Family Chair及Georgia Rearch Alliance杰出學者。在加入佐治亞理工學院之前，夏幼南曾任職于美國華盛頓大學圣路易斯分校和圣路易斯華盛頓大學。夏幼南教授現擔任美國化學會Nano Letters副主編，及Angewandte Chemie International Edition，Chemistry : A European Journal，Nano Today等多個雜志的編委。
夏幼南教授2017年獲得美國材料研究學會獎章， 2014-2017連續4年入選湯森路透集團發布的化學領域和材料領域湯森路透高被引科學家名單，2014年當選ACS Fellow，并被湯森路透集團評為全球最有影響力的材料科學家（排名第4）。另外，夏教授還曾獲得ACS貝克蘭獎和材料化學獎，是第一位獲得這兩個獎項的華人科學家。他在任教以來，發表SCI 論文近700篇，被引用次數近十余萬次，H因子為209。
夏幼南教授在聚合物納米復合材料方面的研究主要應用在納米醫藥和再生藥物上，包括以下幾個方面： （1）納米晶體在生物系統方面的應用，旨在獲得功能納米晶體通過其光熱效應進行醫療處理。在目前的研究中，課題組用智能聚合物包裹金納米籠形成納米膠囊用于靶向緩釋遞藥，該系統具有極高的準確率。（2）將靜電紡絲用于神經組織工程、遞藥系統、干細胞研究和腱-骨嵌入的修復。（3）高磁性膠體粒子對生物分子和細胞的分離、檢測、改性和跟蹤等方面的應用。
最近夏幼南教授課題組開發出一種蜂巢狀多管道納米纖維導管，并將其應用于末梢神經的修復。該導管的設計模仿了末梢神經結構，作者先用無序納米纖維膜將定向排列的有序納米纖維膜包裹卷成管狀，然后將七個這樣的管道包裹進一根大管道的內腔，形成蜂巢狀多管道導管（圖1）。在管壁之間導入粘合劑之后，該管道的強度和韌性能夠達到外科手術操作的標準。
圖1. 多管道納米纖維導管示意圖
Christoph J. Brabec（德國埃爾蘭根-紐倫堡大學）
Christoph J. Brabec教授現任德國愛爾蘭根－紐倫堡大學材料系主任和電子能源材料理工學院院長，德國應用能源研究會董事會主席（Head of Board of ZAE Bayern eV），2015年入選湯森路透集團評選的全球最有影響力的材料學家前1%。現已發表學術論文500余篇，被引用6萬余次，H因子高于100。
Christoph J. Brabec教授一直從事有機電子和能源材料領域的研究，并致力于推進低成本有機薄膜光伏電池的商業化，率先完成了可再生能源領域，特別是在有機可印刷光伏領域研究體系的系統整合。其課題組近年來在有機光電材料混溶性以理論預測實驗、全自動高通量表征制備有機太陽能電池等方面有很優秀的科研成果，給大家提供了新能源和有機光伏產業化的光明前景。
有機太陽能電池是20世紀90年代發展起來的新型太陽能電池，以有機半導體作為實現光電轉換的活性材料。與無機太陽能電池相比，它具有成本低、厚度薄、質量輕、制造工藝簡單、可做成大面積柔性器件等優點，但缺點是能量轉換效率較低，穩定性差和強度低。最近，Christoph J. Brabec課題組研發出一種基于P3HT（聚3-己烷噻吩）和ICBA（富勒烯C60）的納米粒子墨水。該納米粒子在乙醇中合成，分散粒徑達80－100納米，有效減少了粒子聚集，光伏轉化率高達4.52%，高于目前同類有機光伏器件在水／醇體系中的轉化率。此方法有望引發生態友好的有機光伏器件的研究熱潮。
圖2.P3HT/ICBA納米粒子墨水（(a)-(d)）及有機光伏器件(e)
Philippe Dubois（比利時蒙斯大學）
?Dr. Philippe Dubios是比利時蒙斯大學副校長、比利時皇家科學院院士，盧森堡大學榮譽教授，在有機化學、大分子化學、聚合物材料催化劑、聚合物熔融反應加工、納米復合材料與工程以及生物基生物降解聚合物等一系列研究領域均有非常高的知名度與影響力。目前Philippe Dubios教授已發表超過700多篇科研論文，出版了8本學術專著，其個人H-Index達94，文章被引用4萬多次。
近年來，Philippe Dubios教授致力于聚合物（PLA、纖維素）－硅納米粒子／碳基復合材料、聚合物納米晶體材料的研究，將其制備成形狀記憶材料、光伏電子材料、表面保護材料等。
聚乳酸（PLA）是一種可降解、生物兼容性強的聚合物，具有良好的熱機械性能，被廣泛應用于生物、自動化和電子器件中。Philippe Dubios教授課題組嘗試將表面改性的硅納米粒子分散在聚乳酸基質中，兩者通過靜電作用結合，可獲得固定性達100%和恢復率達79%的形狀記憶材料。
圖3. PLA/Si 納米粒子復合材料及其形狀記憶性能
馬曉龍（密歇根大學）
馬曉龍教授1992獲得美國Rutgers大學博士學位，1993至1996年在麻省理工學院和哈佛醫學院做博士后。現任美國密歇根大學生物醫學工程系、工程學院大分子科學與工程中心和牙醫學院教授。 2000年，馬曉龍教授榮獲“杜邦年輕科學家獎”，是密歇根大學首位獲此殊榮的教授，2006年獲選美國醫學與生物工程學會榮譽會員，2007 年當選為美國醫藥生物工程學會（AIMBE）FELLOW。
馬曉龍教授國際上最早開展組織工程支架研究的科學家之一， 其研究領域為生物醫學材料及組織工程，仿生材料、可再生3D 功能組織、藥物緩釋、自組裝及納米材料等。馬教授曾在各種國際國內學術會議及大學做200多次特邀報告和講座。迄今已在專著及會議錄上發表250多篇論文和章節，授權和申請美國專利30余項。論文被SCI引用25500次，H-index為76。
miRNA可以用來促進組織再生。最近，馬曉龍教授課題組合成一種超支化聚合物，通過自組裝形成納米尺寸的雙殼結構多聚物。該聚合體具有極強的miRNA親和力和高轉染率，幾乎沒有細胞毒性。利用微球結構包裹此多聚物和miRNA附著在納米纖維支架上可以實現可控兩步遞送（圖4）。此方法因應用無細胞支架便可實現miRNA治療，解決了組織工程領域中可再生藥物的關鍵難題。
圖4. miRNA兩步遞送示意圖
Craig J. HAWKER（加州大學圣巴巴拉分校）
Craig J. HAWKER教授1988年博士畢業于劍橋大學，現任職于加州大學圣巴巴拉分校，是該校納米系統學院院長，材料系主任。2017年因其在聚合物研究領域做出的突出貢獻獲得ACS 頒發的Charles G. Overberger International Prize，2015年當選美國文理學科學院Fellow。Craig J. HAWKER教授研究方向主要包括大分子合成、生物和電子材料、聚合物自組裝等，至今已發表SCI論文500余篇，被引用7萬余次，H-index為139。
表面引發聚合是制備高強性功能聚合物的有效方法。Craig J. HAWKER教授課題組提出一種操作簡單、無需金屬多表面引發原子轉移自由基聚合方法（SI-ATRP）（圖5），該方法利用可見光調控，可在納米粒子或者10cm平面上獲得形貌整齊的聚合物納米刷，為在大面積平面上制備復合功能材料提供了很好的視角和思路。
圖5. SI-ATRP示意圖
納米技術賦予了傳統聚合物新的性能，使其具有更好的機械性能、熱力學性能、導電導熱性能和生物兼容性，由此聚合物納米尺寸的研究進入一個新的快速發展時期；同時，無機納米材料與聚合物的復合也更能充分發揮兩者的優點，在此基礎上，新的研究領域和應用也將會不斷出現并發揮重要作用。
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：以上僅介紹了幾個具有代表性的研究團隊，還有很多其他優秀的團隊同樣有很多優秀的工作，但是由于篇幅的關系，我們在這里就不能一一列舉了。
本文由材料人專欄科技顧問Sharon提供，材料牛編輯整理。
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