材料前沿最新综述精选(2017年8月第2周)

1、Nature Reviews Chemistry综述：药物输送系统中大分子复杂性的演变

图1 药物输送中大分子结构的变化历程

纳米材料在输送药物，减少毒性方面发挥着关键的作用。纳米医学的进步使得研究人员能够改善其在无数临床问题中的应用，目的是开发、改进更有效的治疗方法。在化学领域，这包括在纳米支架中纳入多种功能，以及开发控制大分子形状和分散性的方法。本综述中，麻省理工学院的Robert Langer（通讯作者）等人探讨了在大分子结构越来越复杂的情况下药物传递方式如何发展，以及检验这种增加的复杂性如何使药物顺利有效输送，并且讨论了其在纳米医学中满足需求的潜力。

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

2、Nature Reviews Chemistry综述：用于体内生物传感的表面增强拉曼光谱

图2 SERS研究应用在体内的一些关键发展

表面增强拉曼散射（SERS）由于其灵敏度，特异性和重复使用能力，因此是生物医学分析和成像的关键技术。探针的生物相容性和微创手段是保证SERS在体内传感成功应用的关键，两者分别通过开发新的纳米探针和仪器来满足要求。本综述中，斯特拉斯克莱德大学的Duncan Graham（通讯作者）等人介绍了这些领域的最新发展，论述了一些已经实施的传感器的案例研究，并概述了SERS在临床使用前必须解决的缺点。

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

3、Chemical Reviews综述：水热合成无机纳米颗粒

图3 连续水热合成的应用

纳米材料在新兴纳米技术领域处于领先地位。因其具有独特且可调的尺寸（在1-100nm范围内），使得这些材料在许多现代技术应用中扮演着不可或缺的角色。英国伦敦大学学院的Jawwad A. Darr（通讯作者）等人总结了使用连续水热合成（CHFS）的工艺制造和应用无机纳米粒子的先进技术；介绍了纳米陶瓷生产流程的理想条件和连续水热合成的不同方法，及其制造的纳米材料相应的应用领域。评估了纳米材料的发现的环境影响、未来发展方向及展望。

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

4、Chemical Reviews综述：光催化活性氧的产生与检测

图4 光催化剂中产生的活性氧物质——氧气和水的还原、氧化步骤

光催化技术在许多实践领域的应用迅速发展，其基础研究也在不断进步。特别是通过太阳光分解水（即人造光合作用）生产氢燃料是未来潜在的应用。由于在有氧条件下光催化剂实际上与水蒸汽一起作用，所以涉及氧和水作为反应物质的光催化是十分重要的。氧转化为高反应性的物质通常称为活性氧（ROS）。本论文中，长冈技术科学大学的Yoshio Nosaka（通讯作者）等人对近20年出版的文献里所出现的光催化反应中ROS的检测方法、生产机制进行了调查，并指出了异质光催化体系的具体研究问题。

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

5、Chemical Society Reviews综述：基于钙钛矿的光电探测器

图5 基于钙钛矿的光电探测器的结构示意图及不同器件的光电检测性能特点

光电检测器是通过光电效应检测和测量光特性的装置。如今，光电探测器的光电转换的应用领域广泛，在学术界和工业领域都得到了越来越多的关注。钙钛矿特有的半导体特性使其成为光信号检测中创新应用的极佳候选者，钙钛矿在宽波段范围内结合了有效光吸收，良好光生产率和高电荷载流子迁移率三种优点，这些优点在许多方面都有极大的潜力。梨花女子大学的Dong Ha Kim（通讯作者）等人全面概述了钙钛矿光电探测器的最新进展，重点介绍了组合材料的组成、结构及形态，以及不同设备体系的性能指标。

文献链接：Perovskite-based photodetectors: materials and devices （Chem.Soc.Rev.，2017，DOI:10.1039/C6CS00896H）

6、Chemical Society Reviews综述：金属有机骨架中的协同变化，不稳定性和可靠性

图6 Co（II）中心从四面体到正方形协同，从最开放孔“填充”形式到其他更封闭的形式

金属有机骨架（MOF）是当前科学中最热门的材料之一。它们的应用及其多样性取决于它们的化学性质，骨架拓扑结构以及它们孔的空间尺寸。圣安德鲁斯大学的Russell E. Morris和谢菲尔德大学的Lee Brammer（共同通讯）描述了金属中心周围协同变化的例子，以及导致结构变化的原因，并介绍了MOFs属性的变化。综述中还讨论了如何将金属-连接体键的不稳定性用于材料的合成改性，以及这种不稳定性对MOFs稳定性的影响。同时解释了应用于MOF时的可靠性含义，对MOF的潜在应用进行了探讨。

文献链接：Coordination change, lability and hemilability in metal–organic frameworks （Chem.Soc.Rev.，2017，DOI:10.1039/C7CS00187H）

7、Chemical Society Reviews综述：柔性锂硫电池及其类似的碱金属-硫族元素可充电电池

图7 柔性碱金属—硫族元素电池的概述

更轻、更薄、更小的便携式设备的快速发展驱动着电化学能量储存技术的发展。柔性电子产品逐渐实现了卓越的便携性和良好的环境适应性，且已经有了广泛的应用，正在逐步改善人类的社会生活。清华大学的张强（通讯作者）等人总结了柔性Li-S电池和类似碱金属-硫族元素电池的最新研究进展，也对含柔性Li-S电池的柔性材料的进展情况进行了综述，最终总结了柔性Li-S和类似碱金属-硫族元素电池的现有挑战，展望了其未来发展。

文献链接：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综述：多元气体/蒸气传感器中的单层保护金属纳米粒子

图8 不同类型气体/蒸气传感器的发展历程

目前检测复杂环境下的气体和蒸气，在现有传感器中经典分析仪器是检测的不二选择，然而由于其相对较高的功耗、高成本及便携性不佳，在现实生活中的应用仍受到一定限制。最近新一代传感器——多元传感器，可以对不同气体和蒸气具有不同的响应，且独立输出各种响应以识别不同的气体。因其极为不同的感测方式，消除了现有传感器的局限。通用电气全球研究中心的Radislav A. Potyrailo（通讯作者）在论文中严谨地分析了基于单层保护纳米粒子（MPN）的多元传感器的进展，其由有机和生物配体提供的气体响应机制使得这种MPN传感材料在多数传感材料中脱颖而出，并且成为了现有分析仪器中的“红人”！

文献链接：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综述：被包覆的金纳米颗粒配体壳层的表征

图9 对金纳米颗粒配体壳层的不同表征方法

金纳米颗粒的配体壳层使其拥有许多性质，目前的研究通常是用配体分子的混合物作为其纳米粒子来赋予其各种复杂的性质。洛桑联邦理工学院的Francesco Stellacci（通讯作者）等人介绍了适用于具有配体壳层金纳米粒子表征技术的最新进展，模拟了各种表征技术，指出了理解配体壳层热力学稳定性的最新研究结果，并强调了计算机模拟对数据解释的重要性，最后以未来发展的角度进行了总结。

文献链接：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综述：静电纺丝纳米纤维新的概念及其应用

图10 静电纺丝纳米纤维

早在一个世纪前，超薄纤维就可在强电场下从粘弹性液体中提取，这被称为静电纺丝，如今，这种技术不断被一代代的研究人员改进，已可用于从多种材料（包括聚合物、陶瓷、小分子及其聚集体）中提取直径达数十纳米的纳米纤维。静电纺丝纳米纤维的应用极其广泛，小到涉及身边的空气净化、水净化，大到药物输送、再生医学。在过去的15年中，佐治亚理工学院的夏幼南（通讯作者）等人广泛探究了静电纺丝纳米纤维的一系列应用。文章首先描述了静电纺丝的原理，随后简要讨论了用于控制静电纺丝纳米纤维组成、结构、孔隙率和表面性能的方法，最后强调了其在非均相催化和生物医学研究中的应用。

文献链接：Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications （Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00218）

11、Accounts of Chemical Research综述：电沉积纳米材料——快速，敏感的H₂传感器

图11 不同传感器的性能比较

氢气（H₂）在空气中的浓度高于4％（v/v）时是无臭且易燃的。这就需要能够在较低浓度下快速检测的传感器，以便在任何使用的地方“嗅出”泄漏的H₂。为了大规模使用，此传感器也必须是廉价，紧凑，功率高效的，并且能够在较宽范围的环境温度和湿度下工作。加州大学的Reginald M. Penner（通讯作者）总结了基于电沉积纳米材料的H₂传感器的发展。介绍了从基于Pd纳米线的H₂传感器，到基于Pt纳米线的H₂传感器，再到最新含有电沉积Pd纳米粒子（NPs）的碳纳米管传感器的发展历程。传感器的灵敏性与反应性都有大幅度提升。

文献链接：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综述：使用透射电镜观察液体中的胶体纳米晶体形成和电极—电解质界面

图12 胶体TEM透视示意图——纳米晶体生长和电化学液体反应

透射电子显微镜（TEM）已经成为解决化学科学以及材料科学和其他学科领域独特科学问题的有力分析工具。近来液相环境TEM的开发和应用逐渐走红。劳伦斯伯克利国家实验室的郑海梅（通讯作者）等人介绍了液晶细胞TEM的研究和应用，以研究液—固界面的动态现象，重点关注了两个方面：（1）胶体纳米晶体的成核，生长和自组装；（2）电极—电解质界面的充电和放电过程，同时强调了这两个专题研究领域取得的成就和进展。

文献链接：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综述：原子层沉积的密闭纳米催化剂

图13 活性位点限制在不同空间的示意图

催化是化学领域的一个重要部分。催化化学中最重要的目标就是控制化学反应的过程和结果。在纳米空间内限制活性位点为实现这一目标提供了强有力的策略。且现在的研究已经观察到限制在纳米反应器内部的反应分子以及纳米材料（金属/金属氧化物纳米颗粒）表现出了相对于其无约束对应物更好的行为和性质。但是，反应过程中必须除去过量的金属或不需要的溶剂和其他试剂。而且在密闭的纳米空间中也难以精确调节受限纳米结构并组装多功能位点。因此其应用受到了一定程度的限制。原子层沉积（ALD）由于其突出的有点，为制造限制性催化剂提供了可控方法。中科院煤化学研究所的覃勇（通讯作者）等人在此描述了目前团队在ALD的限制性纳米催化剂的设计方面和性能方面的研究进展。

文献链接：Design and Properties of Confined Nanocatalysts by Atomic Layer Deposition （Acc.Chem.Res.，2017，DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00266）

本文由材料人编辑部学术组昝菲供稿，材料牛整理编辑。

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