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劃重點(diǎn)！2018化學(xué)與材料科學(xué)熱點(diǎn)前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)

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

10月24日上午，由中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心與科睿唯安公司（Clarivate Analytics）發(fā)布了《2018研究前沿》報(bào)告（中英文版）和《2018研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》報(bào)告。在報(bào)告中，遴選展示了10個(gè)高度聚合的大學(xué)科領(lǐng)域中的100個(gè)熱點(diǎn)前沿和38個(gè)新興前沿。小編為您摘錄其中化學(xué)&材料領(lǐng)域熱點(diǎn)前沿和新興前沿。

1. 化學(xué)與材料科學(xué)熱點(diǎn)前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)

1.1 化學(xué)與材料科學(xué)Top10熱點(diǎn)前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)

化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿主要分布在有機(jī)合成、電池、納米技術(shù)、綠色化學(xué)、超快科學(xué)、自由基聚合等領(lǐng)域。與2013-2017年相比，2018年Top10熱點(diǎn)前沿既有延續(xù)又有發(fā)展。在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，間位碳?xì)滏I活化連續(xù)第一年入選熱點(diǎn)前沿；光氧化還原催化雖然是第三次出現(xiàn)在《研究前沿》報(bào)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(yáng)能電池連年入選熱點(diǎn)前沿，今年側(cè)重在無(wú)鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和串聯(lián)太陽(yáng)能電池兩個(gè)方向；鋰枝晶抑制研究也是第二次出現(xiàn)在《研究前沿》報(bào)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(xiàng)入選。在綠色化字領(lǐng)域，低共熔溶劑成為研究熱點(diǎn)。在超快科學(xué)領(lǐng)域，依托自由電子激光大科學(xué)裝置的“串行飛秒晶體字”入選熱點(diǎn)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(diǎn)前沿。

1.2 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿——“間位選擇性碳?xì)滏I活化”

對(duì)于含有多個(gè)碳?xì)滏I的芳香族化合物，如何實(shí)現(xiàn)選擇性碳?xì)滏I活化一直是一個(gè)關(guān)鍵而又棘手的問(wèn)題。通常情況下，相對(duì)鄰位和對(duì)位，位于導(dǎo)向基團(tuán)間位的碳?xì)滏I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(kāi)發(fā)新的活化方法迫在眉睫。“間位選擇性碳?xì)滏I活化”連續(xù)兩年入選《研究前沿》報(bào)告熱點(diǎn)前沿。

2012年，美國(guó)斯克里普斯研究所余金權(quán)開(kāi)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了一種包含氰基的U型模板，通過(guò)形成大環(huán)環(huán)鈀中間體，遠(yuǎn)程導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)芳環(huán)間位碳?xì)滏I活化。2015年3月，余金權(quán)又設(shè)計(jì)了一種以降冰片烯為瞬態(tài)介質(zhì)、通過(guò)Catellani反應(yīng)實(shí)現(xiàn)苯環(huán)間位碳?xì)湔Q活化的新策略。一個(gè)月后，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校董廣彬也獨(dú)立報(bào)道了相似活化策略。此外，德國(guó)哥廷根大學(xué)Lutz Ackermann和英國(guó)巴斯大學(xué)Christopher G.Frost深入研究了σ活化策略，英國(guó)倫敦瑪麗王后大學(xué)Igor Larrosa報(bào)道了無(wú)痕導(dǎo)向基團(tuán)誘導(dǎo)間位活化策略，日本東京大學(xué)Motomu Kanai報(bào)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(jì)結(jié)果也反映了上述研發(fā)態(tài)勢(shì)。如表31所示，美國(guó)、德國(guó)、印度等國(guó)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(xué)、印度理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域成果顯著。印度理工學(xué)院Debabrata Mati 設(shè)計(jì)了新的U型模板，在模板遠(yuǎn)程活化方面做了許多工作。中國(guó)南京大學(xué)孫為銀與余金權(quán)合作，首次將U型模板擴(kuò)展到銠催化的間位碳?xì)滏I活化反應(yīng)。

從施引論文角度看（見(jiàn)表32），美國(guó)、印度、德國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)仍在該領(lǐng)域積極探索；中國(guó)施引論文最多，表現(xiàn)出積極跟進(jìn)的態(tài)勢(shì)。斯克里普斯研究所、印度理工學(xué)脘、哥廷根大學(xué)等研究枳構(gòu)仍是該領(lǐng)域的研究重鎮(zhèn)。中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、北京大學(xué)等研究枳構(gòu)在該領(lǐng)域正在做出越來(lái)越多的貢獻(xiàn)。

1.3 重點(diǎn)熱點(diǎn)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(guó)萊斯特大學(xué)Andrew P. Abbott在本世紀(jì)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(diǎn)302℃），當(dāng)它與尿素（熔點(diǎn)113℃）以2：1的摩爾比例共混，可以形成了一種熔點(diǎn)低于起始物質(zhì)的混合物（熔點(diǎn)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(jiǎn)單。

近年來(lái)，研究人員對(duì)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(jìn)行了大量研究，對(duì)其毒性的認(rèn)識(shí)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(gè)領(lǐng)域。

本研究前沿中的核心論文主要來(lái)自荷蘭、西班牙、英國(guó)等歡盟國(guó)家，這與歐盟通過(guò)“框架計(jì)劃”資助了大量低共熔溶劑產(chǎn)業(yè)化研究項(xiàng)目有關(guān)。英國(guó)萊斯特大學(xué)、荷蘭萊頓大學(xué)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)化研究項(xiàng)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(lái)自中國(guó)、印度、西班牙、美國(guó)、伊朗等國(guó)家的研究人員發(fā)表了大量施引論文，其中中國(guó)的施引論文數(shù)量最多。在施引論文Top10機(jī)構(gòu)中，馬來(lái)西亞馬來(lái)亞大學(xué)施引論文數(shù)量最多，中國(guó)科學(xué)院排在第三位。

2. 新興前沿及重點(diǎn)新興前沿解讀

2.1 新興前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)

在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域共有8項(xiàng)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(xiàng)研究入選新興前沿，主要涉及催化劑的制備和應(yīng)用、有機(jī)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(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，今年針對(duì)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(gè)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(guò)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(guò)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(jī)理及應(yīng)用研究。有機(jī)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?；惢衔锏暮铣墒切氯脒x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?；衔锏闹苽浜蛻?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(gè)研究方向。

2.2 重點(diǎn)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(wú)縫銜接，可顯著擴(kuò)展傳統(tǒng)剛性電子器件在傳感、監(jiān)測(cè)、診斷和干預(yù)等功能方面的能力，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器、光電組件（可拉伸電極）、納米發(fā)電機(jī)、超級(jí)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(guò)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(jì)，賦予不可拉伸材料特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(guò)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(jìn)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(xué)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(shí)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(xué)的鮑哲南教授，其團(tuán)隊(duì)的許多工作都具有引領(lǐng)性和開(kāi)創(chuàng)性。如，2016年該團(tuán)隊(duì)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(xué)基團(tuán)引入共軛聚合物中，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)材料依然具有較高的電子遷移能力的呂標(biāo)，該文的被引頻次在本新興前沿中最高，為124次。17年該團(tuán)隊(duì)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(dá)95次。近日，該團(tuán)隊(duì)首次成功開(kāi)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(guó)的合肥工業(yè)大學(xué)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(jī)械穩(wěn)定性的彈性導(dǎo)體材料。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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