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劃重點！2018化學與材料科學熱點前沿發(fā)展態(tài)勢

2018-10-31 11:17:37 作者：本網(wǎng)整理來源：高分子科學前沿分享至：

10月24日上午，由中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安公司（Clarivate Analytics）發(fā)布了《2018研究前沿》報告（中英文版）和《2018研究前沿熱度指數(shù)》報告。在報告中，遴選展示了10個高度聚合的大學科領(lǐng)域中的100個熱點前沿和38個新興前沿。小編為您摘錄其中化學&材料領(lǐng)域熱點前沿和新興前沿。

1. 化學與材料科學熱點前沿發(fā)展態(tài)勢

1.1 化學與材料科學Top10熱點前沿發(fā)展態(tài)勢

化學與材料科學領(lǐng)域Top10熱點前沿主要分布在有機合成、電池、納米技術(shù)、綠色化學、超快科學、自由基聚合等領(lǐng)域。與2013-2017年相比，2018年Top10熱點前沿既有延續(xù)又有發(fā)展。在有機化學領(lǐng)域，間位碳氫鍵活化連續(xù)第一年入選熱點前沿；光氧化還原催化雖然是第三次出現(xiàn)在《研究前沿》報告，但“鎳/光氧化還原協(xié)同催化”是首次出現(xiàn)。在電池領(lǐng)域，鈣鈦礦太陽能電池連年入選熱點前沿，今年側(cè)重在無鉛鈣鈦礦太陽能電池和串聯(lián)太陽能電池兩個方向；鋰枝晶抑制研究也是第二次出現(xiàn)在《研究前沿》報告。在納米技術(shù)方面，光電材料、二維材料和復(fù)合材料各有一項入選。在綠色化字領(lǐng)域，低共熔溶劑成為研究熱點。在超快科學領(lǐng)域，依托自由電子激光大科學裝置的“串行飛秒晶體字”入選熱點前沿。在自由基聚合領(lǐng)域，“光引發(fā)的活性自由基聚合”連續(xù)第二年入選熱點前沿。

1.2 重點熱點前沿——“間位選擇性碳氫鍵活化”

對于含有多個碳氫鍵的芳香族化合物，如何實現(xiàn)選擇性碳氫鍵活化一直是一個關(guān)鍵而又棘手的問題。通常情況下，相對鄰位和對位，位于導(dǎo)向基團間位的碳氫鍵較難活化。常規(guī)的基于底物固有位阻效應(yīng)、電性效應(yīng)的活化方法適用范圍有限，開發(fā)新的活化方法迫在眉睫。“間位選擇性碳氫鍵活化”連續(xù)兩年入選《研究前沿》報告熱點前沿。

2012年，美國斯克里普斯研究所余金權(quán)開創(chuàng)性地設(shè)計了一種包含氰基的U型模板，通過形成大環(huán)環(huán)鈀中間體，遠程導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)芳環(huán)間位碳氫鍵活化。2015年3月，余金權(quán)又設(shè)計了一種以降冰片烯為瞬態(tài)介質(zhì)、通過Catellani反應(yīng)實現(xiàn)苯環(huán)間位碳氫誕活化的新策略。一個月后，美國德克薩斯大學奧斯汀分校董廣彬也獨立報道了相似活化策略。此外，德國哥廷根大學Lutz Ackermann和英國巴斯大學Christopher G.Frost深入研究了σ活化策略，英國倫敦瑪麗王后大學Igor Larrosa報道了無痕導(dǎo)向基團誘導(dǎo)間位活化策略，日本東京大學Motomu Kanai報道了基于底物和配體之間氫鍵的活化策略。

本研究前沿定量統(tǒng)計結(jié)果也反映了上述研發(fā)態(tài)勢。如表31所示，美國、德國、印度等國家在該領(lǐng)域發(fā)表了多篇核心論文，斯克里普斯研究所、哥廷根大學、印度理工學院等研究機構(gòu)在該領(lǐng)域成果顯著。印度理工學院Debabrata Mati 設(shè)計了新的U型模板，在模板遠程活化方面做了許多工作。中國南京大學孫為銀與余金權(quán)合作，首次將U型模板擴展到銠催化的間位碳氫鍵活化反應(yīng)。

從施引論文角度看（見表32），美國、印度、德國、日本、英國等國仍在該領(lǐng)域積極探索；中國施引論文最多，表現(xiàn)出積極跟進的態(tài)勢。斯克里普斯研究所、印度理工學脘、哥廷根大學等研究枳構(gòu)仍是該領(lǐng)域的研究重鎮(zhèn)。中國科學院、浙江大學、北京大學等研究枳構(gòu)在該領(lǐng)域正在做出越來越多的貢獻。

1.3 重點熱點前沿“低共熔溶劑及其應(yīng)用”

低共熔溶劑是一種新型的綠色溶劑，由英國萊斯特大學Andrew P. Abbott在本世紀初首次合成。低共熔溶劑通常由季銨鹽和金屬鹽或氫鍵供體組成。最常的季銨鹽是氯化膽堿（熔點302℃），當它與尿素（熔點113℃）以2：1的摩爾比例共混，可以形成了一種熔點低于起始物質(zhì)的混合物（熔點12℃）。低共熔溶劑與離子液體有很多相似的物理性質(zhì)，而且成本低廉、制備簡單。

近年來，研究人員對低共熔溶劑的各種物質(zhì)性質(zhì)（如密度、粘度、導(dǎo)電性、表面張力等）進行了大量研究，對其毒性的認識正在不斷深入。低共熔溶劑被廣泛用于電沉積、電拋光、金屬提取、有相合成、納米材料合成、生物轉(zhuǎn)化、催化、氣體分離等多個領(lǐng)域。

本研究前沿中的核心論文主要來自荷蘭、西班牙、英國等歡盟國家，這與歐盟通過“框架計劃”資助了大量低共熔溶劑產(chǎn)業(yè)化研究項目有關(guān)。英國萊斯特大學、荷蘭萊頓大學等多個產(chǎn)業(yè)化研究項目有關(guān)相構(gòu)參與了該領(lǐng)域的研究。

在施引論文方面，如表33所示，來自中國、印度、西班牙、美國、伊朗等國家的研究人員發(fā)表了大量施引論文，其中中國的施引論文數(shù)量最多。在施引論文Top10機構(gòu)中，馬來西亞馬來亞大學施引論文數(shù)量最多，中國科學院排在第三位。

2. 新興前沿及重點新興前沿解讀

2.1 新興前沿發(fā)展態(tài)勢

在化學與材料科學領(lǐng)域共有8項研究入選新興前沿。

2018年在化字與材料科字領(lǐng)域共有8項研究入選新興前沿，主要涉及催化劑的制備和應(yīng)用、有機化合物的合成及材料的性能優(yōu)化及制備。與2014一2017新興前沿相比，2018年出現(xiàn)較多新的研究方向，且有1/2的研究方向與催化劑相關(guān)。催化劑研究一直是化學與材料科學領(lǐng)域的熱點研究方向，今年針對催化劑的研究主要包括電解水催化劑、光解水催化劑、脫氫／加氫催化劑及半導(dǎo)體光催化劑等4個方向。電解水催化劑曾是2017年的新興前沿，主要涉及非貴金屬雙功能電解水催化劑，今年其研究方向轉(zhuǎn)向中性環(huán)境下過渡金屬（非貴金屬）納米陣列電解水催化劑；光解水催化劑是全新的新興前沿，其研究主要涉及石墨相氮化碳與非貴金屬（鈷鎳）化合物制備的復(fù)合光解水催化劑；脫氫/加氫催化劑研究主要集中于過渡金屬（錳）螯合物的制備及在催化脫氫／加氫反應(yīng)中的應(yīng)用；半導(dǎo)體光催化劑主要涉及鹵氧化鉍光催化劑的催化機理及應(yīng)用研究。有機化合物的合成領(lǐng)域，卟啉類雜環(huán)化合物的制備/應(yīng)用及磺酰基類化合物的合成是新入選方向，前者主要涉及卟啉類大環(huán)化合物及咔咯衍生物的合成/反應(yīng)，后者主要集中于含磺酰基化合物的制備和應(yīng)用。材料的性能優(yōu)化及制備領(lǐng)域，主要包括碳納米材料（碳納米管和石墨烯）改性聚合物、可拉伸材料和器件兩個研究方向。

2.2 重點新興前沿解讀 ——“可拉伸材料和器件”

可拉伸材料與電子器件能夠與復(fù)雜的曲面表面無縫銜接，可顯著擴展傳統(tǒng)剛性電子器件在傳感、監(jiān)測、診斷和干預(yù)等功能方面的能力，在場效應(yīng)晶體管、傳感器、光電組件（可拉伸電極）、納米發(fā)電機、超級電容及加熱器、可穿戴電子器件、柔性能源及仿生器件等新興領(lǐng)域具有中要應(yīng)用。兩種策略能夠予器件可拉伸性能：1）材料創(chuàng)新，通過合成本征可拉伸的或者集成可拉伸的材料；2）結(jié)構(gòu)設(shè)計，賦予不可拉伸材料特殊的機械結(jié)構(gòu)，通過材料結(jié)構(gòu)形變吸收施加在器件上的應(yīng)力應(yīng)變，從而免材料本身失效。本新興前沿的研究屬于前者范疇，比較典型的方法是通過將功能分子材料及納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天然可拉伸性高分子基底上，且進一步與新型材料和加工技術(shù)結(jié)合，制備性能優(yōu)異的元件，使其在中要的新興領(lǐng)域發(fā)揮中大作用。該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)是獲得拉伸性能優(yōu)異且電學性能穩(wěn)定的導(dǎo)體，而現(xiàn)有技術(shù)主要依賴犧牲電荷傳輸遷移率以實現(xiàn)材料的可拉伸性。

本新興前沿的4核心論文中的3篇出自斯坦福大學的鮑哲南教授，其團隊的許多工作都具有引領(lǐng)性和開創(chuàng)性。如，2016年該團隊摒棄了以往在彈性體里混合納米纖維或納米線等柔性半導(dǎo)體制備策略，創(chuàng)新地將化學基團引入共軛聚合物中，實現(xiàn)了應(yīng)變產(chǎn)生時材料依然具有較高的電子遷移能力的呂標，該文的被引頻次在本新興前沿中最高，為124次。17年該團隊還首次提出聚合物的納米限域方法，制備了導(dǎo)電性和拉伸性俱佳的柔性半導(dǎo)體材料，相關(guān)文童的被引頻次達95次。近日，該團隊首次成功開發(fā)出可以量產(chǎn)的高密度、高靈敏度、可拉伸晶體管陣列。中國的合肥工業(yè)大學近日利用金屬納米線的有序組裝成功研制出兼具自修復(fù)性、高導(dǎo)電性以及優(yōu)異抗拉伸性和電機械穩(wěn)定性的彈性導(dǎo)體材料。

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責任編輯：韓鑫

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