《自然》《科学》一周(10.5-10.11)材料科学前沿要闻

1.可降解乙烯基聚合物在生物医药方面的应用

Degradable vinyl polymers for biomedical applications)

乙烯基聚合物因其易于合成的特点和优良的性能在过去数十年中成为许多领域的研究重点,它在很多方面(如建筑、艺术设计等)都有广泛应用。不过,由于乙烯基聚合物中的碳-碳主链很难降解,这一点限制了其应用。可降解聚合物是聚合物科学中一个重点研究对象。因此,开发新型的合成策略,合成出可完全或部分降解的乙烯基聚合物是非常重要的,这样可以为这些材料开辟很多新的用处。Delplace等人就设计可降解乙烯基聚合物的最新研究进展撰写了综述,并讨论了这类材料在生物医药方面的应用前景。(Nature Chemistry  DOI: 10.1038/NCHEM.2343)

2.空间分辨的多组分凝胶

Spatially resolved multicomponent gels)

多组分超分子体系可以用来制备新型功能材料,但是,挑战在于控制组分的组装行为。Draper等人报道了一种简单有效的方法,来制备图案化的、可空间分辨的多组分超分子水凝胶。该水凝胶首先由两种低分子量的凝胶因子制成,每种凝胶因子表现出一种纤维结构。接着,通过光诱导转变,可以使其中一种凝胶变成溶液。剩余的凝胶可以保持与单独制备它同样的机械性能。通过模板选择性照射凝胶的特定部分,可以获得多组分图形化网络结构。(Nature Chemistry  DOI: 10.1038/NCHEM.2347)

3.超快显微镜观察到并四苯晶体中单线态和三线态激子的协同传输

Cooperative singlet and triplet exciton transport in tetracene crystals visualized by ultrafast microscopy)

单线态裂分可以由一个单线态激子裂分为两个三线态激子,是一种突破Shockley–Queisser限制的潜在方法。不过,虽然三线态激子的寿命较长,但它是通过Dexter转移来传输的,这比单线态激子的Förster转移要慢很多。因此,对单线态裂分和三线态传输机理的深入认识对利用单线态裂分是非常重要的。Wang等人利用瞬态吸收显微镜(分辨率200fs)直接可视化观察到并四苯单晶中的激子传输过程。他们发现了一种新型的单线态媒介传输的机理,这种传输方式使得三线态激子的传输效率提高了一个数量级。这一结果证明,在单线态和三线态激子中存在一个最优能级,可以同时提高单线态裂分和激子传输的效率。(Nature Chemistry  DOI: 10.1038/NCHEM.2348)

4.电荷转移晶体作为分子掺杂剂

Charge-transfer crystallites as molecular electrical dopants)

无论共轭聚合物还是齐聚物,基态电荷转移都被认为是分子电掺杂的机理。Mendez等人发现,对这两种类型的共轭半导体来说,掺杂过程是不同的。他们对比了聚噻吩和四联噻吩齐聚物,其中聚噻吩在p型掺杂时会发生电荷转移,而转移的电荷会局限在聚合物主链中四联噻吩单元上。尽管掺杂后两者的电导率都有所提升,但是在齐聚物中只发现部分电荷转移。相比于聚合物,齐聚物与掺杂剂在1:1混合时会呈现出强烈的分子前线轨道杂化。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9560)

5.识别CO氧化和水煤气转变过程中Pt催化剂的活性位点

Identification of active sites in CO oxidation and water-gas shift over supported Pt catalysts)

对于相同组分的贵金属材料,纳米颗粒结构常常表现出与原子或体材料不同的性质。例如,分散于金属氧化物基体上的金和铂纳米粒子在低温下也表现出很强的CO氧化活性。Ding等人利用红外光谱法来研究铂原子与铂纳米粒子对CO的吸附作用。程序升温脱附技术结果表明,相比于单独的铂原子,吸附于纳米颗粒的CO可以在更低的温度下发生反应。(Science  DOI: 10.1126/science.aac6368)

6.通过计算相邻原子寻找多相催化剂中的最优表面位点

Finding optimal surface sites on heterogeneous catalysts by counting nearest neighbors)

利用第一原理计算的方法来研究多相催化剂十分困难,因为分子中原子数量众多且分子表面形貌也很复杂。Calle-Vallejo等人报道了一种更加简易的方法来评估最优反应位点,即计算临近原子表面配位的加权平均数。计算结果发现,有三条路径可以在铂(111)表面引入空穴,以便提高其在燃料电池中的催化性能。(Science  DOI: 10.1126/science.aab3501)

7.纳米粒子相互作用的非加和性

Nonadditivity of nanoparticle interactions)

纳米粒子在溶液中的相互作用会影响到很多方面,如其与生物分子的结合能力、粒子的电学特性以及它们堆积成大尺度晶体的能力。不过,一些可以用来解释胶体粒子的理论却无法解释纳米粒子的行为,因为纳米粒子间的相互作用无法线性叠加。而且,纳米粒子具有复杂的形状,尺寸也更接近于溶剂分子。Silvera Batista等人就纳米粒子相互作用的非加和特性撰写了综述,目的在于让科研人员更清晰的认识纳米粒子在溶液中的行为。(Science  DOI: 10.1126/science.1242477)

8.具有可控形状的单个聚合物链的制备

(Routing of individual polymers in designed patterns)

合成高分子在现代世界中无处不在,但是人类对单个高分子链的分子构型的控制水平却非常有限。特别是,尽管我们可以控制寡聚苷酸和蛋白质自组装形成特定的纳米结构,但是我们无法单个控制其他类型的高分子,也无法研究单个分子的性质。Knudsen等人合成了一种高分子线,在每个重复单元侧链都接有短链寡聚苷酸。这种高分子线长度超过200nm,柔软可弯曲,在DNA衬底上可以变成各种形状。此外,它还是共轭结构,可能会导电,因此有潜力制备成分子级的电子或光学材料。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/NNANO.2015.190)