划重点！2018化学与材料科学热点前沿发展态势
2018-10-31 11:17:37
作者：本网整理 来源：高分子科学前沿
10月24日上午，由中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安公司（Clarivate Analytics）发布了《2018研究前沿》报告（中英文版）和《2018研究前沿热度指数》报告。在报告中，遴选展示了10个高度聚合的大学科领域中的100个热点前沿和38个新兴前沿。小编为您摘录其中化学&材料领域热点前沿和新兴前沿。
1. 化学与材料科学热点前沿发展态势
1.1 化学与材料科学Top10热点前沿发展态势
化学与材料科学领域Top10热点前沿主要分布在有机合成、电池、纳米技术、绿色化学、超快科学、自由基聚合等领域。与2013-2017年相比，2018年Top10热点前沿既有延续又有发展。在有机化学领域，间位碳氢键活化连续第一年入选热点前沿；光氧化还原催化虽然是第三次出现在《研究前沿》报告，但“镍/光氧化还原协同催化”是首次出现。在电池领域，钙钛矿太阳能电池连年入选热点前沿，今年侧重在无铅钙钛矿太阳能电池和串联太阳能电池两个方向；锂枝晶抑制研究也是第二次出现在《研究前沿》报告。在纳米技术方面，光电材料、二维材料和复合材料各有一项入选。在绿色化字领域，低共熔溶剂成为研究热点。在超快科学领域，依托自由电子激光大科学装置的“串行飞秒晶体字”入选热点前沿。在自由基聚合领域，“光引发的活性自由基聚合”连续第二年入选热点前沿。
1.2 重点热点前沿——“间位选择性碳氢键活化”
对于含有多个碳氢键的芳香族化合物，如何实现选择性碳氢键活化一直是一个关键而又棘手的问题。通常情况下，相对邻位和对位，位于导向基团间位的碳氢键较难活化。常规的基于底物固有位阻效应、电性效应的活化方法适用范围有限，开发新的活化方法迫在眉睫。“间位选择性碳氢键活化”连续两年入选《研究前沿》报告热点前沿。
2012年，美国斯克里普斯研究所余金权开创性地设计了一种包含氰基的U型模板，通过形成大环环钯中间体，远程导向实现芳环间位碳氢键活化。2015年3月，余金权又设计了一种以降冰片烯为瞬态介质、通过Catellani反应实现苯环间位碳氢诞活化的新策略。一个月后，美国德克萨斯大学奥斯汀分校董广彬也独立报道了相似活化策略。此外，德国哥廷根大学Lutz Ackermann和英国巴斯大学Christopher G.Frost深入研究了σ活化策略，英国伦敦玛丽王后大学Igor Larrosa报道了无痕导向基团诱导间位活化策略，日本东京大学Motomu Kanai报道了基于底物和配体之间氢键的活化策略。
本研究前沿定量统计结果也反映了上述研发态势。如表31所示，美国、德国、印度等国家在该领域发表了多篇核心论文，斯克里普斯研究所、哥廷根大学、印度理工学院等研究机构在该领域成果显着。印度理工学院Debabrata Mati 设计了新的U型模板，在模板远程活化方面做了许多工作。中国南京大学孙为银与余金权合作，首次将U型模板扩展到铑催化的间位碳氢键活化反应。
从施引论文角度看（见表32），美国、印度、德国、日本、英国等国仍在该领域积极探索；中国施引论文最多，表现出积极跟进的态势。斯克里普斯研究所、印度理工学脘、哥廷根大学等研究枳构仍是该领域的研究重镇。中国科学院、浙江大学、北京大学等研究枳构在该领域正在做出越来越多的贡献。
1.3 重点热点前沿“低共熔溶剂及其应用”
低共熔溶剂是一种新型的绿色溶剂，由英国莱斯特大学Andrew P. Abbott在本世纪初首次合成。低共熔溶剂通常由季铵盐和金属盐或氢键供体组成。最常的季铵盐是氯化胆碱（熔点302℃），当它与尿素（熔点113℃）以2：1的摩尔比例共混，可以形成了一种熔点低于起始物质的混合物（熔点12℃）。低共熔溶剂与离子液体有很多相似的物理性质，而且成本低廉、制备简单。
近年来，研究人员对低共熔溶剂的各种物质性质（如密度、粘度、导电性、表面张力等）进行了大量研究，对其毒性的认识正在不断深入。低共熔溶剂被广泛用于电沉积、电抛光、金属提取、有相合成、纳米材料合成、生物转化、催化、气体分离等多个领域。
本研究前沿中的核心论文主要来自荷兰、西班牙、英国等欢盟国家，这与欧盟通过“框架计划”资助了大量低共熔溶剂产业化研究项目有关。英国莱斯特大学、荷兰莱顿大学等多个产业化研究项目有关相构参与了该领域的研究。
在施引论文方面，如表33所示，来自中国、印度、西班牙、美国、伊朗等国家的研究人员发表了大量施引论文，其中中国的施引论文数量最多。在施引论文Top10机构中，马来西亚马来亚大学施引论文数量最多，中国科学院排在第三位。
2. 新兴前沿及重点新兴前沿解读
2.1 新兴前沿发展态势
在化学与材料科学领域共有8项研究入选新兴前沿。
2018年在化字与材料科字领域共有8项研究入选新兴前沿，主要涉及催化剂的制备和应用、有机化合物的合成及材料的性能优化及制备。与2014一2017新兴前沿相比，2018年出现较多新的研究方向，且有1/2的研究方向与催化剂相关。催化剂研究一直是化学与材料科学领域的热点研究方向，今年针对催化剂的研究主要包括电解水催化剂、光解水催化剂、脱氢／加氢催化剂及半导体光催化剂等4个方向。电解水催化剂曾是2017年的新兴前沿，主要涉及非贵金属双功能电解水催化剂，今年其研究方向转向中性环境下过渡金属（非贵金属）纳米阵列电解水催化剂；光解水催化剂是全新的新兴前沿，其研究主要涉及石墨相氮化碳与非贵金属（钴镍）化合物制备的复合光解水催化剂；脱氢/加氢催化剂研究主要集中于过渡金属（锰）螯合物的制备及在催化脱氢／加氢反应中的应用；半导体光催化剂主要涉及卤氧化铋光催化剂的催化机理及应用研究。有机化合物的合成领域，卟啉类杂环化合物的制备/应用及磺酰基类化合物的合成是新入选方向，前者主要涉及卟啉类大环化合物及咔咯衍生物的合成/反应，后者主要集中于含磺酰基化合物的制备和应用。材料的性能优化及制备领域，主要包括碳纳米材料（碳纳米管和石墨烯）改性聚合物、可拉伸材料和器件两个研究方向。
2.2 重点新兴前沿解读 ——“可拉伸材料和器件”
可拉伸材料与电子器件能够与复杂的曲面表面无缝衔接，可显着扩展传统刚性电子器件在传感、监测、诊断和干预等功能方面的能力，在场效应晶体管、传感器、光电组件（可拉伸电极）、纳米发电机、超级电容及加热器、可穿戴电子器件、柔性能源及仿生器件等新兴领域具有中要应用。两种策略能够予器件可拉伸性能：1）材料创新，通过合成本征可拉伸的或者集成可拉伸的材料；2）结构设计，赋予不可拉伸材料特殊的机械结构，通过材料结构形变吸收施加在器件上的应力应变，从而免材料本身失效。本新兴前沿的研究属于前者范畴，比较典型的方法是通过将功能分子材料及纳米结构应用在天然可拉伸性高分子基底上，且进一步与新型材料和加工技术结合，制备性能优异的元件，使其在中要的新兴领域发挥中大作用。该领域面临的重大挑战是获得拉伸性能优异且电学性能稳定的导体，而现有技术主要依赖牺牲电荷传输迁移率以实现材料的可拉伸性。
本新兴前沿的4核心论文中的3篇出自斯坦福大学的鲍哲南教授，其团队的许多工作都具有引领性和开创性。如，2016年该团队摒弃了以往在弹性体里混合纳米纤维或纳米线等柔性半导体制备策略，创新地将化学基团引入共轭聚合物中，实现了应变产生时材料依然具有较高的电子迁移能力的吕标，该文的被引频次在本新兴前沿中最高，为124次。17年该团队还首次提出聚合物的纳米限域方法，制备了导电性和拉伸性俱佳的柔性半导体材料，相关文童的被引频次达95次。近日，该团队首次成功开发出可以量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列。中国的合肥工业大学近日利用金属纳米线的有序组装成功研制出兼具自修复性、高导电性以及优异抗拉伸性和电机械稳定性的弹性导体材料。
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