材料人报告 | 当下的材料科学到底研究些什么?——以JACS封面为样本

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工欲善其事,必先利其器。在材料领域,从业者和科研人员需要对当下材料科学发展有一个全局的认识和了解才能运筹帷幄。从一名刚入学面临选题的研究生到引领整个团队方向的课题组带头人同样需要对当下整个学科发展有一个全局的把握,进而准确的抓住机遇与挑战。

《美国化学会志》 (Journal of the American Chemical Society, JACS) 作为化学与材料类杂志的龙头,其总引证次数和被引次数雄踞第一,覆盖面与信息量是其他杂志无法比肩的(——引自百度百科)。本文以JACS杂志为研究对象,对其2017年第139卷共49期(截止于2017年12月13日)封面文章进行分析,旨在了解和发现近期材料发展动态和研究热点。

1.总论

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篇评述型文章(Perspective)。根据封面文章内容将其分为7个大类:生命科学、材料制备、能源、环境、传统化工、理论物理、信息技术。其中,各类属封面文章数量如图1 所示,生命科学24篇占比49.0%,材料制备12篇占比24.5%,能源7篇占比14.3%,信息技术及理论物理各2篇占比4.1%,环境、传统化工各一篇占比均为2.0%。

生命科学以压倒性数量占据了JACS 2017年一半数量的封面;能源类属屈居第二;信息技术作为当今经济社会快速发展的重要载体亦不容小觑,为满足精细化多样化要求,电子器件趋向于有机材料的利用与研究;随着环境问题日益受到关注,环境在当今仍然不可被忽视;传统化工作为国民经济命脉是立国之本,无论何时都不会消逝退出历史舞台;材料制备与理论物理共占到了28.6%,这两个类属是新材料发现及新材料性能探究的过程,这两个类属内容的研究为其他五个种类的发展起到了基础作用。下面,小编将会从生命科学、能源、材料制备、环境、传统化工、基础物理这几个方面分别叙述。

图1 2017年JACS封面文章不同类属的数量

2.生命科学

人类历史经历了一个从克服自然——征服自然——效法自然的漫长过程。从单细胞生命起源到现在的复杂生态系统经历了漫长的过程,从分子尺度——生物个体——种族——群落——生态圈都蕴含复杂而微妙的平衡关系。以植物的光合作用为例,现代科技至今未能设计制造出可与其相媲美的人工光合作用设备或器件。随着人口增加、资源紧缺、经济快速发展等多方面问题求诸于自然的智慧以及人类对自然更深的认识和理解,使得生命科学成为了研究热点。例如,仿生学这一起源于上世纪60年代的学科已经使人类社会受益匪浅。

自上世纪40年代,生物学吸收数学、物理学和化学等的成就,逐渐发展成一门精确的、定量的、深入到分子层次的科学。21世纪伴随科技发展(如冷冻电镜)使得这一学科有条件去做进一步探索,但仍然处于初步阶段。如图2所示,目前超过50%的工作(机理探讨和结构解析)是基础研究,仍需要很长的路要走。尽管如此,其巨大的社会与经济效益令人耳目一新,如生物检测相较于无机材料更加精准、灵敏;新颖巧妙的生物材料已经广泛应用在医学领域的各方面(如软骨,骨组织等);癌症一直以来是人类生命健康的撒旦之手,从根本上认识其作用机制是解决这一难题的不二法门。

图2 2017年JACS封面生命科学类文章分析

3.能源

“我们需要利用所有能源,无论它们的经济成本是否高昂。我们需要利用风能、太阳能和其他可再生能源。我们需要增加对核电的使用量。而且我们还需要利用煤、石油和天然气,这一点非常重要。据分析,国际能源署 (IEA) 和其他权威能源机构都认为到 2040 年结束前,碳基燃料将继续满足全球约四分之三的能源需求。”

—— Rex W Tillerson,美国国务卿

化石能源时代必将会结束,我们如何在非化石能源时代继续生存和发展是目前面临的一个巨大问题。化石能源目前仍然无可替代;人类能够做的是将有限的化石资源得到充分高效的利用,甚至推后结束这一时代的时间节点。风能、太阳能、氢能等清洁可再生能源是下一个能源时代的新兴和希望。以储能材料中太阳能电池为例,据Dataquest的统计资料显示,全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。此外,以锂离子电池为首的各种金属离子(Na、K、Mg、Ca、V等)固/液电池亦是研究热点。

在环境和能源的双重要求之下,氢能一直备受关注,作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。如何能大量而廉价的生产氢是问题关键所在。水产氢是主要研究方向,其方法有:光解水、电催化、生物法等。研究较多的是制备高效的催化剂用于光解水和电解水制氢。光解水催化剂主要以钽、铌、钛酸盐类及多元硫化物为催化剂,通过纳米结构的调控、离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合等来优化其催化性能。虽然析氢反应被视为最简单的电化学反应,但是几十年来困扰着电化学产氢的3个基本限制依然存在:i)对于电解水制氢,现实工业中的运行效率远远低于热力学限制(1.223V);ii)电极材料的使用寿命太短;iii)缺乏有效的低成本催化剂取代贵金属材料,这也是该领域研究的热点。相关内容可参考:材料牛——析氢反应催化剂材料的设计原则。

图3 2017年JACS封面能源类文章分析

4.材料制备

2017年共49期JACS封面文章中,有12篇材料制备的文章,其中1篇为观察报道(perspective)。其中,新材料的制备及物性探究2篇、host-guest化学2篇、孔材料2篇以及材料结构设计6篇,碳材料制备占到了75%。面对多样化、精细化的市场和社会需求,这些材料在医疗、能源、环境、半导体等方面都具有应用的潜力和价值。物质基础决定上层建筑,优质材料决定了其广阔应用前景。

图4 2017年JACS封面材料制备类文章分布

4.1 新材料制备及物性探究

以富勒烯为例,这是一种物理性质稳定,化学性质活泼的分子。研究人员对其研究兴趣在于其广泛的应用前景。富勒烯在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。同样,合成的碗型有机硅与富勒烯类似,是有弯曲的π共轭化合物,也许与富勒烯具有同样的应用前景。

4.2 Host-Guest 化学

Host-Guest化学是超分子化学的一个分支,在近几十年取得了巨大的进展,开始向生命和材料等学科领域渗透。主客体化学在分子识别、分子元件及化学物质检测器设计、化学反应催化剂制备、稀有金属及其化合物分离和提纯以及环境等领域中都有着广泛的应用。

4.3 孔材料

孔材料最早可追溯到19世纪40年代,距今已有将近200年历史。最早研究的孔材料有分子筛和沸石,已广泛应用于现代工业如石油裂解、催化、甲烷存储等。金属有机框架材料(MOFs)在上世纪90年代开始研究,其多孔性被Yaghi和Kitagawa等科学团队发现和建立后,极大地促进了这类材料的快速发展和应用。这类材料具有高比表面积、规则有序和可调的孔径大小和形状以及易功能化等特点,成为了非常有应用前景的多功能材料。其功能性活性位点可以来自于金属离子/簇中心,也可以来自于有机配体及孔道内的客体分子,同时两个或多个具有不同化学/物理性能的有机/无机单元可以同时引入MOFs材料中形成具有多个功能的先进材料。这些独特的优势使得MOFs材料近年来被广泛地作为一种可调控的平台发展各种类型的多功能材料(引自materials views china)。

共价有机框架材料(COFs)是具有扩展结构、通过共价键桥联的二维或三维结构有机固体。COFs是多孔的晶体结构,完全由轻质元素(H/C/N/B/O)制成。该材料可从分子尺度制备块体材料,是可被功能化应用的轻质材料。例如氢气、甲烷存储,二氧化碳捕捉,光学以及孔结构效应(气体分离,催化)应用等。

4.4 结构设计

在过去的几十年内,纳米晶体和量子点作为纳米科学技术发展的排头兵,有着广泛的应用,如光电子学、生物技术等。有机大分子自组装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(环境、传统化工、基础物理)

环境问题是当今全球关注的热点问题,特别是在国内,由于过去粗放型发展导致土地、水源、空气污染问题突出。在政府的“绿水青山就是金山银山”的政策引导下,急需科研机构寻求解决问题的办法。

传统化工仍然是当今社会生活中基础,我们吃穿住行都离不开这一行业的支持。以乙烯为例,作为有机化工基本原料有着举足轻重的位置,从吃饭穿衣到航空航天都与其息息相关。

基础物理使得人们从原子、电子层次结合量子力学原理来对物质进行更深层次的理解和认识。

6.小结

根据JACS 2017年49篇封面文章的分析,大家对目前的热点有了一个大概的了解。毋庸置疑,生命科学是当仁不让的科研圈超新星,而材料的使用与制备更加倾向于碳材料的应用。此外,材料学与各个学科的融合与交叉促进了新材料的产生和现有材料的新应用。以材料与纳米科学的交叉融合造就了如今材料的“黄金时代”,再比如仿生学,材料与生物的交叉等等,这也体现出科学向综合性发展的趋势。

2017年JACS封面文章链接:

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 CrVI/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)

编者按:以材料人网站为交流平台,汇聚了广泛的科研圈的读者,可谓“四美聚,二难并”。小编以自己有限的能力水平说出自己的一点认识与见解,正所谓钟期,既遇奏流水以何惭?希望阅此文章者不吝赐教,欢迎大家留言交流!

本文由材料人编辑部纳米学术组Mr_PSP供稿。

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