前言:纳微界面反应机理探索专刊

化学制造是我国国民经济的重要支柱,是现代炼油、石化、能源、新材料、生化制药、军工火药、轻工纺织、环境治理等产业的灵魂.气–液、液–液和气–液–固等多相化学反应则是化学制造的核心单元.多相反应过程所涉及的质量传递、能量传输和化学转化效率的高低,直接影响到产品质量、能耗物耗、生产安全和“三废”排放.

前言:分子机器专刊

“分子机器”是由多个分子尺度的单元通过机械互锁构成的动态功能分子,其动态可控特性可调控各级尺度下物质功能并创造新物质.2016年诺贝尔化学奖授予了让-皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage)、J.弗雷泽·斯托达特(Sir J.Fraser Stoddart)和伯纳德·L·费林加(Bernard L.Feringa)三位科学家,以表彰其设计并建造了最小的机器——“分子机器”.

纳微尺度流体传质与反应特性探索

多相反应体系颗粒的运动及其相界面上的理化特性对于分子扩散、能量传输和反应转化起着决定性作用,它直接决定着整个化学转化过程的能耗、物耗甚至过程安全.本文简要介绍过去20年来南京大学团队及同行们在多相反应体系纳微流体及其界面性质与反应强化方面开展的一些探索工作,包括纳微流体界面传质与反应增强效应;单个纳微气泡的结构、运动、传质和反应特性;动态、非线性和非平衡特征;纳微流体颗粒的测试与表征;纳微气–液(水溶液)体系的羟基自由基检测及其新化学效应;以及纳微流体在反应强化方面的应用等.研究表明,纳微流体具有明显区别于宏观流体的理化特性,是一个极具挑战性的新兴领域,亟需进行深入研究和开发.在理论方面,需要在考虑动态、非平衡和尺度效应的基础上对经典的物理化学和平衡热力学的相关理论进行修正与拓展;在实验方面,需要设计和建立适用于纳微流体、动态、原位和多因子测试的仪器和表征系统;在应用方面,需要发明可大规模制备(10^(3)~10^(6)m^(3)h^(-1))和调控纳微颗粒尺度、特别是在大气液比(如5:1~100:1)情况下的纳微界面发生装置,同时开发面向千差万别应用场景的纳微流体反应器平台及操控系统.

基于聚合物凝胶和纸基的超分子光学传感阵列研究进展

超分子光学传感器阵列是分析化学中分子识别信息可视化的有效工具之一,这种传感器的优点是它们可以利用阵列系统来检测多种分析物.然而,大多数的光学传感器阵列主要在溶液状态下进行检测,大大限制了其应用的范围.发展固态光学传感器阵列,如聚合物凝胶和纸张,可以扩大光学传感器作为现场可视化分析工具的应用范围.本综述结合强大的数据处理技术和实际应用的便携式数字化检测技术,总结了固态介质参与的分子光学传感器阵列的应用与展望.

纳微尺度溶液体系的精确计算

在纳微尺度上,分子性质、传质过程、化学反应等均与在宏观尺度表现不同.因此,近年来在生命科学、材料科学等领域对于纳微尺度下的液滴和溶液体系的研究蓬勃发展.采用计算模拟手段对相关体系的准确表征有助于揭示其在微观层面的分子机制,并为解开生命的奥秘、促进新材料的研发提供新的见解.本综述回顾了使用模拟方法,包括分子力场、量子化学方法以及结合机器学习等,研究此类体系的最新进展,重点关注纳微尺度下气液界面(包括空气/水、空气/溶液,以及大气/水)的溶液体系.此外,我们还对适用于纳微尺度溶液化学的计算模拟手段未来的发展进行了展望.

微/纳米反应器及纳微界面催化反应机理

学习自然是科学创造和科学生产的最佳驱动力.微/纳米反应器作为介观尺度下人工细胞仿生微纳结构材料代表,其微观形貌具有界限明显的中空腔室、丰富的纳米孔道等结构特征,在多相催化、能源存储和生物医药等领域具有重要的潜在应用价值.本文系统总结了微/纳米反应器定制策略开发、活性位精准锚定、纳米反应器效应探究及应用等方面的进展,重点集中在本课题组的代表性成果,以期为新型功能微纳米材料研制、介观尺度空间/界面反应过程及纳微界面理论探索提供良好的借鉴.

有机场效应气体传感器研究进展

得益于有机半导体的固有优点,包括分子结构可设计、溶液法可加工和机械柔性良好,以及其自身多参数、信号可调控以及高集成性等特点,场效应晶体管为气体传感器的发展注入了新活力.基于有机场效应晶体管(OFET)的气体传感器研究取得了显著进展,展现出了卓越的传感性能.本文综述了自2018年以来,OFET气体传感器领域的最新研究进展,包括化学敏感材料、界面工程、半导体层微结构调控以及柔性OFET气体传感器、集成电路和集成阵列方面的进展.最后,对有机场效应晶体管在气体传感器中的应用进行了简要的总结和展望.本综述旨在全面而深入地解析基于OFET的气体传感器,以促进科研人员对其基本工作原理和性能的深入理解并为高性能气体传感器的制造和相关产业的蓬勃发展提供有价值的参考和启示.

微液滴强化传质与化学反应的研究进展

气–液/液–液两相体系广泛存在于多种化工过程中,如精馏、吸收、萃取、多相反应等.传统宏观的两相接触方式存在接触面积小、传质效率低、反应速率慢等问题,而微液滴具有比表面积大、生成频率高、液滴系统相对独立等诸多优点,可极大强化相间传质和化学反应.将微液滴作为传质和反应的媒介,能够有效改善两相宏观接触的局限,已被广泛应用于各类化工单元操作中.本文综述了近年来关于微液滴强化相间传质与多相化学反应的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望.

探讨面向能源电化学的新一代表征方法——从工况表征到人工智能

电化学科学与技术在新能源等领域扮演着日益重要的角色且面临巨大挑战,传统的原位和非原位表征方法难以满足具有大流量、高密度且动态变化的传荷、传能和传质的大型电化学能源器件的需求,无法全面获取有关各类界面结构与过程的能(量)–时(间)–空(间)相关信息.本文在讨论谱学电化学发展脉络和分析非原位、原位和工况三类表征的本质性区别的基础上,展望面向新型电化学能源器件/系统的新一代工况表征实验和理论方法,建议着重发展可实时检测关键反应中间物/产物的谱学和传感技术,全面跟踪各个界面和体相的动态变化特别是它们之间的耦合与串扰,进而解析整个系统内相互关联的复杂机制;强调能源器件工况表征技术进一步与兴起的人工智能技术优势互补,将实现各类工况表征和检测模块与器件的工况调控部分的系统结合.通过人工智能辅助,快速获取并分析工况表征数据后及时反馈至器件/系统的控制中心后做出调控工作参数决定,实现器件在工况下的检测–解析–控制的全闭环模式.基于人工智能驱动,将原本数个分立且耗时低效的操作模块有机地合为一体,不仅可优化系统和获取大量数据,而且有望指导生成全新的电化学能源器件,发展为未来研究范式,为发展能源电化学、化学测量学和界面科学乃至建立系统电化学等新方向提供新途径.

有机电化学晶体管及其在生物电子学领域的应用进展

有机电化学晶体管(organic electrochemical transistor,OECT)具有高跨导、低工作电压和高灵敏度等特点,在逻辑电路、传感器件、健康检测和仿生电子等领域显示出广泛的应用潜力.OECT器件采用独特的液态电解液结构,赋予其优异的水介质稳定性和生物兼容性,能够将微弱的离子和生物信号放大并转换为电学信号输出,因此在生物电子学领域具有内在的应用优势.本文综述了近年来OECT器件在生物电子学领域的研究进展与发展现状,从OECT器件的结构和工作原理出发,重点介绍了OECT技术在生物生理信号监测、生物化学传感和仿生神经形态方面的应用进展,最后讨论了OECT技术在生物电子学领域中仍存在的关键挑战和未来发展方向.

纳微尺度热力学与前沿应用

在实际化工过程中,纳微尺度界面体系普遍存在,且与反应和传递等过程高度耦合.这种耦合增加了直接应用宏观热力学模型和规律的难度,进而在工程预测、放大及调控方面带来挑战,制约了绿色化工技术创新和规模应用的发展.本文针对纳微尺度热力学的起源、内涵及其在前沿领域的应用进行了深入探讨.首先,以绿色介质离子液体为例,展示了纳微尺度下的独特界面结构和功能,讨论了离子液体结构–功能间的纳微尺度热力学关联机制;然后,概述了适用于纳微尺度热力学领域的研究方法,提出了集合高精度原位动态实验、精准高效计算模拟和高通量自动化人工智能相结合的研究范式;随后,总结了纳微尺度热力学理论在反应、分离和电化学领域的前沿应用,并对其挑战和未来机遇进行了深入讨论和展望.总之,纳微尺度热力学的新理论和新方法,不仅可以为化工学科的科学研究开辟新的视野和路径,还将推动化工过程实现从“分子设计→结构功能调控→工程放大规律”的跨越,催生出适应于新体系、新应用和新需求的化工热力学新学科.

磺酸基团修饰的间苯二酚杯[4]芳烃对有机阳离子的包合作用

杯芳烃是第三代超分子化学的主要研究对象之一,其中间苯二酚杯[4]芳烃的功能化修饰在近几年受到了越来越多的关注.本文以间苯二酚为起始原料合成两例间苯二酚杯[4]芳烃,并在其C-2位以亚甲基为桥连引入磺酸基团合成间苯二酚杯[4]芳烃磺酸衍生物2a与2b,探究其与溶剂分子、有机铵盐的包合作用.通过X射线单晶衍射确定了2a与Me_4NCl、2b与Me OH均形成1:1的包合物,其中铵盐阳离子被2b二聚体所包裹.通过核磁氢谱研究,2b对Et_4NCl和n-Bu_4NCl的包合行为,结果表明铵盐阳离子的N~+头部嵌入杯芳烃头部亲水性四个磺酸基团中.通过紫外差光谱法作用研究了包合物吸光度与主客体分子浓度比的关系.检测了包合物2a·Me_4NCl催化合成异氰尿酸三缩水甘油酯的应用,发现其拥有良好的循环催化性能.

精准设计的纳米机器药物及其抗肿瘤应用

纳米医药是当今生物和医学研究最具创新活力的领域之一,尤其是在恶性肿瘤等复杂难治疾病的治疗中展现出广阔的应用前景.随着纳米生物技术近年来的快速发展,能够在活体环境执行精密、复杂操作的纳米生物机器受到高度关注.本文总结了我们团队在抗肿瘤纳米机器药物方面的科研工作,从精准设计、体内操控和创新性治疗等方面,系统性介绍了基于核酸、多肽、膜结构等生物模块的纳米机器药物设计策略,讨论了不同类型纳米机器药物在肿瘤治疗中的优势,并结合当前肿瘤临床治疗的重点发展方向,讨论了纳米机器药物对治疗范式创新的潜在推动作用.

免疫“分子机器”的金属干预

免疫“分子机器”的识别与调控是免疫系统有序工作的关键.金属元素作为机体必需的营养物质,具有独特的化学性质,可以通过不同机制广泛地影响和干预免疫“分子机器”.本文站在细胞内、外不同的免疫“分子机器”的角度,总结了金属对免疫“分子机器”的直接干预和间接影响,阐释了不同免疫“分子机器”中金属元素的重要作用,提出了目前相关研究的不足及其历史成因.最后,本文通过分析金属干预的化学特性,提出要结合近年来新兴的研究手段从全局性、特异性和可变性等方面进行研究,为免疫“分子机器”的金属靶向干预提供了新的见解.

基于MEH-PPV:PCBM体异质结的有机人工光电突触

在识别与处理视觉信息、完成复杂的学习和记忆方面,集光学传感和突触功能于一体的人工光电突触表现出巨大的优势.目前已报道的光突触器件功能实现形式相对单一且不稳定,因此需要探索更多基于新材料和新结构的突触器件,以处理复杂多变的视觉信息.本研究采用了有机半导体材料聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)和[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)构建垂直型光调控忆阻器,展现了其在处理视觉信息和模拟神经形态行为方面的优异性能.该器件通过体异质结实现了稳定、缓变的阻值变化,成功模拟了电压调控的长时程增强/抑制,呈现多种光电协同调控的突触可塑性.此外,该器件还成功模拟了人类视觉神经系统中的图案识别与记忆功能,证明了其在开发下一代人工视觉系统方面的应用潜力.

基于烷氧基侧链工程的聚电解质设计及离子异质结半导体纤维

一维离子-电子器件具有尺寸小、集成能力强的独特优势,但在环境温度下的低离子迁移率限制了其在生物集成电子领域的应用能力.本文通过侧链工程在传统咪唑基离子液体中引入烷氧基,并与聚乙二醇甲基丙烯酸酯(poly(ethylene glycol)methacrylate,PEGMA)共聚,合成了低玻璃化转变温度(glass-transition temperature,Tg)的聚阳离子电解质poly(VIM-m-TFSI),在室温下实现了更高的链迁移率,显示出更低的离子阻抗和更宽的电化学窗口(-2.7~+2.7 V).与聚阴离子电解质poly(AMPS-EMIM)简单贴合,构筑了高性能全柔性离子异质结,实现了整流比为127的固态离子二极管.设计合成的两种聚电解质溶液表现出优异的溶液可加工性和流变性能,可直接用作3D打印油墨.最终,通过3D打印技术实现了离子异质结半导体纤维的一体化成型构筑,获得了基于5×5阵列单元的大面积半导体纤维纺织品,初步实现了输入信号的“0-1”整流,验证了离子异质结半导体纤维在织物逻辑电路领域的应用潜力.

有机智能传感材料与器件研究进展

有机光电子材料具有柔性、低成本、可大面积加工以及分子结构可调等特点,在可穿戴智能器件领域具有巨大的应用潜力.有机分子可以通过结构的设计调节其光学、电学、机械和化学等特性,从而实现丰富的传感功能.有机智能传感器具有快速响应、高选择性、高灵敏和机械柔性等优势,被广泛应用于环境监测、电子皮肤、医疗监测、人机交互等智能感知领域.本文综述了近年来有机智能传感材料与器件的研究进展,包括小分子半导体、聚合物半导体和导电聚合物等有机传感材料,以及化学传感器、温度传感器、光学传感器和机械传感器等有机智能传感器件的前沿应用,重点介绍了目前生物传感器、仿生传感器等智能感知器件和系统的发展现状,并对其未来发展过程中面临的挑战进行了分析.

纳米气泡及其特殊的界面效应

固液界面性质研究,特别是纳米尺度下的界面性质,一直是基础科学和材料科学研究者非常关注的问题.纳米级的气泡,其真实存在有悖于经典热力学和气体扩散理论.但随着2000年第一篇关于纳米气泡图像文章的发表,已经被证明能够在固液界面或体相中稳定存在.近二十年大量研究发现,其超高稳定性、纳米尺寸效应及特殊的生物学效应等特性都与界面息息相关.这些特性决定了其必然带来新的应用前景,催生很多重要的应用,如水环境和土壤修复、农业种植、水产养殖、工业清洗、化工催化、生物医学治疗与诊断以及养生健康等.基于本研究团队的前期研究,本文主要介绍了纳米气泡研究的概况,重点描述了纳米气泡的基本性质、其特殊的界面效应和生物学效应以及该领域的亟待解决的问题,并对未来研究进行了展望.

“生物质转化与轻工制造”基础研究发展战略思考——从科学基金资助布局到未来发展趋势

国家自然科学基金委员会于2021年启用了新的申请代码体系.本文通过梳理“生物质转化与轻工制造”(B0811)2021~2022年的申请和资助情况,从原料、转化路径到产品几个维度,总结了生物质化工基础研究的现状和存在问题,并对该方向未来的发展和布局提出了建议.

二维原子-分子异质结的制备及其类脑器件应用

类脑计算因模仿人脑高效且低能耗的信息处理特性,成为解决冯·诺依曼计算机架构在能源效率和处理速度方面瓶颈的有力方案.然而类脑计算器件中传统异质结构存在的性能单一、制作困难、结合力差等问题限制了技术的应用.新型二维原子-分子异质结(2DAMH)通过在二维材料表面共价修饰功能性分子提供的稳定性和功能可调性为类脑器件领域带来了新的机遇.本综述总结了2DAMH在电子特性、合成策略及类脑器件应用方面的最新进展,尤其是在定制界面特性及模拟生物突触功能上的潜力.尽管共价修饰在精确性、规模化生产和理论完善度等方面仍面临挑战,但不断涌现的创新研究正在积极探索解决方案,展现出在类脑计算智能系统中实现更高效、更节能计算模式的巨大潜力.