材料前沿最新綜述精選(2017年8月第2周)

1、Nature Reviews Chemistry綜述：藥物輸送系統中大分子復雜性的演變

圖1 藥物輸送中大分子結構的變化歷程

納米材料在輸送藥物，減少毒性方面發揮著關鍵的作用。納米醫學的進步使得研究人員能夠改善其在無數臨床問題中的應用，目的是開發、改進更有效的治療方法。在化學領域，這包括在納米支架中納入多種功能，以及開發控制大分子形狀和分散性的方法。本綜述中，麻省理工學院的Robert Langer（通訊作者）等人探討了在大分子結構越來越復雜的情況下藥物傳遞方式如何發展，以及檢驗這種增加的復雜性如何使藥物順利有效輸送，并且討論了其在納米醫學中滿足需求的潛力。

文獻鏈接：Evolution of macromolecular complexity in drug delivery systems （Nat.Rev.Chem.，2017，DOI:10.1038/s41570-017-0063）

2、Nature Reviews Chemistry綜述：用于體內生物傳感的表面增強拉曼光譜

圖2 SERS研究應用在體內的一些關鍵發展

表面增強拉曼散射（SERS）由于其靈敏度，特異性和重復使用能力，因此是生物醫學分析和成像的關鍵技術。探針的生物相容性和微創手段是保證SERS在體內傳感成功應用的關鍵，兩者分別通過開發新的納米探針和儀器來滿足要求。本綜述中，斯特拉斯克萊德大學的Duncan Graham（通訊作者）等人介紹了這些領域的最新發展，論述了一些已經實施的傳感器的案例研究，并概述了SERS在臨床使用前必須解決的缺點。

文獻鏈接：Surface-enhanced Raman spectroscopy for in vivo biosensing （Nat.Rev.Chem.，2017，DOI:10.1038/s41570-017-0060）

3、Chemical Reviews綜述：水熱合成無機納米顆粒

圖3 連續水熱合成的應用

納米材料在新興納米技術領域處于領先地位。因其具有獨特且可調的尺寸（在1-100nm范圍內），使得這些材料在許多現代技術應用中扮演著不可或缺的角色。英國倫敦大學學院的Jawwad A. Darr（通訊作者）等人總結了使用連續水熱合成（CHFS）的工藝制造和應用無機納米粒子的先進技術；介紹了納米陶瓷生產流程的理想條件和連續水熱合成的不同方法，及其制造的納米材料相應的應用領域。評估了納米材料的發現的環境影響、未來發展方向及展望。

文獻鏈接：Continuous Hydrothermal Synthesis of Inorganic Nanoparticles: Applications and Future Directions （Chem.Rev.，2017，DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00417）

4、Chemical Reviews綜述：光催化活性氧的產生與檢測

圖4 光催化劑中產生的活性氧物質——氧氣和水的還原、氧化步驟

光催化技術在許多實踐領域的應用迅速發展，其基礎研究也在不斷進步。特別是通過太陽光分解水（即人造光合作用）生產氫燃料是未來潛在的應用。由于在有氧條件下光催化劑實際上與水蒸汽一起作用，所以涉及氧和水作為反應物質的光催化是十分重要的。氧轉化為高反應性的物質通常稱為活性氧（ROS）。本論文中，長岡技術科學大學的Yoshio Nosaka（通訊作者）等人對近20年出版的文獻里所出現的光催化反應中ROS的檢測方法、生產機制進行了調查，并指出了異質光催化體系的具體研究問題。

文獻鏈接：Generation and Detection of Reactive Oxygen Species in Photocatalysis （Chem.Rev，2017，DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00161）

5、Chemical Society Reviews綜述：基于鈣鈦礦的光電探測器

圖5 基于鈣鈦礦的光電探測器的結構示意圖及不同器件的光電檢測性能特點

光電檢測器是通過光電效應檢測和測量光特性的裝置。如今，光電探測器的光電轉換的應用領域廣泛，在學術界和工業領域都得到了越來越多的關注。鈣鈦礦特有的半導體特性使其成為光信號檢測中創新應用的極佳候選者，鈣鈦礦在寬波段范圍內結合了有效光吸收，良好光生產率和高電荷載流子遷移率三種優點，這些優點在許多方面都有極大的潛力。梨花女子大學的Dong Ha Kim（通訊作者）等人全面概述了鈣鈦礦光電探測器的最新進展，重點介紹了組合材料的組成、結構及形態，以及不同設備體系的性能指標。

文獻鏈接：Perovskite-based photodetectors: materials and devices （Chem.Soc.Rev.，2017，DOI:10.1039/C6CS00896H）

6、Chemical Society Reviews綜述：金屬有機骨架中的協同變化，不穩定性和可靠性

圖6 Co（II）中心從四面體到正方形協同，從最開放孔“填充”形式到其他更封閉的形式

金屬有機骨架（MOF）是當前科學中最熱門的材料之一。它們的應用及其多樣性取決于它們的化學性質，骨架拓撲結構以及它們孔的空間尺寸。圣安德魯斯大學的Russell E. Morris和謝菲爾德大學的Lee Brammer（共同通訊）描述了金屬中心周圍協同變化的例子，以及導致結構變化的原因，并介紹了MOFs屬性的變化。綜述中還討論了如何將金屬-連接體鍵的不穩定性用于材料的合成改性，以及這種不穩定性對MOFs穩定性的影響。同時解釋了應用于MOF時的可靠性含義，對MOF的潛在應用進行了探討。

文獻鏈接：Coordination change, lability and hemilability in metal–organic frameworks （Chem.Soc.Rev.，2017，DOI:10.1039/C7CS00187H）

7、Chemical Society Reviews綜述：柔性鋰硫電池及其類似的堿金屬-硫族元素可充電電池

圖7 柔性堿金屬—硫族元素電池的概述

更輕、更薄、更小的便攜式設備的快速發展驅動著電化學能量儲存技術的發展。柔性電子產品逐漸實現了卓越的便攜性和良好的環境適應性，且已經有了廣泛的應用，正在逐步改善人類的社會生活。清華大學的張強（通訊作者）等人總結了柔性Li-S電池和類似堿金屬-硫族元素電池的最新研究進展，也對含柔性Li-S電池的柔性材料的進展情況進行了綜述，最終總結了柔性Li-S和類似堿金屬-硫族元素電池的現有挑戰，展望了其未來發展。

文獻鏈接：A review of flexible lithium–sulfur and analogous alkali metal–chalcogen rechargeable batteries （Chem.Soc.Rev.，2017，DOI:10.1039/C7CS00139H）

8、Chemical Society Reviews綜述：多元氣體/蒸氣傳感器中的單層保護金屬納米粒子

圖8 不同類型氣體/蒸氣傳感器的發展歷程

目前檢測復雜環境下的氣體和蒸氣，在現有傳感器中經典分析儀器是檢測的不二選擇，然而由于其相對較高的功耗、高成本及便攜性不佳，在現實生活中的應用仍受到一定限制。最近新一代傳感器——多元傳感器，可以對不同氣體和蒸氣具有不同的響應，且獨立輸出各種響應以識別不同的氣體。因其極為不同的感測方式，消除了現有傳感器的局限。通用電氣全球研究中心的Radislav A. Potyrailo（通訊作者）在論文中嚴謹地分析了基于單層保護納米粒子（MPN）的多元傳感器的進展，其由有機和生物配體提供的氣體響應機制使得這種MPN傳感材料在多數傳感材料中脫穎而出，并且成為了現有分析儀器中的“紅人”！

文獻鏈接：Toward high value sensing: monolayer-protected metal nanoparticles in multivariable gas and vapor sensors （Chem.Soc.Rev.，2017，DOI:10.1039/C7CS00007C）

9、Accounts of Chemical Research綜述：被包覆的金納米顆粒配體殼層的表征

圖9 對金納米顆粒配體殼層的不同表征方法

金納米顆粒的配體殼層使其擁有許多性質，目前的研究通常是用配體分子的混合物作為其納米粒子來賦予其各種復雜的性質。洛桑聯邦理工學院的Francesco Stellacci（通訊作者）等人介紹了適用于具有配體殼層金納米粒子表征技術的最新進展，模擬了各種表征技術，指出了理解配體殼層熱力學穩定性的最新研究結果，并強調了計算機模擬對數據解釋的重要性，最后以未來發展的角度進行了總結。

文獻鏈接：Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles?（Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00165）

10、Accounts of Chemical Research綜述：靜電紡絲納米纖維新的概念及其應用

圖10 靜電紡絲納米纖維

早在一個世紀前，超薄纖維就可在強電場下從粘彈性液體中提取，這被稱為靜電紡絲，如今，這種技術不斷被一代代的研究人員改進，已可用于從多種材料（包括聚合物、陶瓷、小分子及其聚集體）中提取直徑達數十納米的納米纖維。靜電紡絲納米纖維的應用極其廣泛，小到涉及身邊的空氣凈化、水凈化，大到藥物輸送、再生醫學。在過去的15年中，佐治亞理工學院的夏幼南（通訊作者）等人廣泛探究了靜電紡絲納米纖維的一系列應用。文章首先描述了靜電紡絲的原理，隨后簡要討論了用于控制靜電紡絲納米纖維組成、結構、孔隙率和表面性能的方法，最后強調了其在非均相催化和生物醫學研究中的應用。

文獻鏈接：Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications （Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00218）

11、Accounts of Chemical Research綜述：電沉積納米材料——快速，敏感的H₂傳感器

圖11 不同傳感器的性能比較

氫氣（H₂）在空氣中的濃度高于4％（v/v）時是無臭且易燃的。這就需要能夠在較低濃度下快速檢測的傳感器，以便在任何使用的地方“嗅出”泄漏的H₂。為了大規模使用，此傳感器也必須是廉價，緊湊，功率高效的，并且能夠在較寬范圍的環境溫度和濕度下工作。加州大學的Reginald M. Penner（通訊作者）總結了基于電沉積納米材料的H₂傳感器的發展。介紹了從基于Pd納米線的H₂傳感器，到基于Pt納米線的H₂傳感器，再到最新含有電沉積Pd納米粒子（NPs）的碳納米管傳感器的發展歷程。傳感器的靈敏性與反應性都有大幅度提升。

文獻鏈接：A Nose for Hydrogen Gas: Fast, Sensitive H2 Sensors Using Electrodeposited Nanomaterials （Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00163）

12、Accounts of Chemical Research綜述：使用透射電鏡觀察液體中的膠體納米晶體形成和電極—電解質界面

圖12 膠體TEM透視示意圖——納米晶體生長和電化學液體反應

透射電子顯微鏡（TEM）已經成為解決化學科學以及材料科學和其他學科領域獨特科學問題的有力分析工具。近來液相環境TEM的開發和應用逐漸走紅。勞倫斯伯克利國家實驗室的鄭海梅（通訊作者）等人介紹了液晶細胞TEM的研究和應用，以研究液—固界面的動態現象，重點關注了兩個方面：（1）膠體納米晶體的成核，生長和自組裝；（2）電極—電解質界面的充電和放電過程，同時強調了這兩個專題研究領域取得的成就和進展。

文獻鏈接：Visualization of Colloidal Nanocrystal Formation and Electrode–Electrolyte Interfaces in Liquids Using TEM （Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00161）

13、Accounts of Chemical Research綜述：原子層沉積的密閉納米催化劑

圖13 活性位點限制在不同空間的示意圖

催化是化學領域的一個重要部分。催化化學中最重要的目標就是控制化學反應的過程和結果。在納米空間內限制活性位點為實現這一目標提供了強有力的策略。且現在的研究已經觀察到限制在納米反應器內部的反應分子以及納米材料（金屬/金屬氧化物納米顆粒）表現出了相對于其無約束對應物更好的行為和性質。但是，反應過程中必須除去過量的金屬或不需要的溶劑和其他試劑。而且在密閉的納米空間中也難以精確調節受限納米結構并組裝多功能位點。因此其應用受到了一定程度的限制。原子層沉積（ALD）由于其突出的有點，為制造限制性催化劑提供了可控方法。中科院煤化學研究所的覃勇（通訊作者）等人在此描述了目前團隊在ALD的限制性納米催化劑的設計方面和性能方面的研究進展。

文獻鏈接：Design and Properties of Confined Nanocatalysts by Atomic Layer Deposition?（Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00266）

本文由材料人編輯部學術組昝菲供稿，材料牛整理編輯。

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