21世紀(jì)以來，科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展帶來了人類的人口迅速增長，生活水平大幅提高，能源需求也越來越大，特別是資源的加速枯竭，環(huán)境的逐漸惡化，使得人類開始迫切尋求新材料來應(yīng)對當(dāng)前的危機(jī)與挑戰(zhàn)，因此科學(xué)家們預(yù)測21世紀(jì)將是材料大爆發(fā)的時代，而過去20年中材料的飛速發(fā)展也印證了這一說法。石墨烯被譽(yù)為“新材料之王”，推動了新型電子器件的誕生和二維材料的蓬勃發(fā)展；金屬有機(jī)框架材料結(jié)構(gòu)百變，在諸多領(lǐng)域都大有可為；納米材料電極催生了新型儲能設(shè)備的百花齊放，為人類提供清潔能源；單原子催化劑的興起則表明人類的研究領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入原子尺度。材料的發(fā)展當(dāng)然離不開無數(shù)研究人員的努力，下面我們一起來了解一下21世紀(jì)全球材料領(lǐng)域被引用次數(shù)TOP10的論文有哪些。（注：本文統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過Web of Science 檢索，出版年為2000年到2021年， Web of Science分類為MATERIALS SCIENCE MULTIDISCIPLINARY）
發(fā)文量方面，2020年材料類論文發(fā)文量為162225篇，相較于2010年的87037篇增長了近一倍，相較于2000年的47220篇更是增加了近三倍。
發(fā)文地區(qū)方面，21世紀(jì)材料類發(fā)文量排名第一的國家?地區(qū)是中國，接近達(dá)到了后三名美國加日本加德國的發(fā)文量總和，21世紀(jì)的中國已經(jīng)成為了名副其實(shí)的材料大國。
來源出版物方面，21世紀(jì)材料發(fā)文量排名前三的期刊是Physical Review B、Advanced Materials Research和Journal of Alloys and Compounds，其中Physical Review B發(fā)文量更是超過了10萬篇，其他我們耳熟能詳?shù)钠诳€包括ACS Applied Materials and Interfaces和Langmuir等。
發(fā)文機(jī)構(gòu)方面，中科院、法國國家科學(xué)研究中心、美國能源部、加州大學(xué)系統(tǒng)、俄羅斯科學(xué)院、德國亥姆霍茲聯(lián)合會、印度理工學(xué)院系統(tǒng)、清華大學(xué)、馬普所和中國科學(xué)院大學(xué)材料類發(fā)文量位列前十，排名前十的機(jī)構(gòu)中有三所來自中國。
1.The rise of graphene
該文2007年由英國曼徹斯特大學(xué)的A. K. Geim和K. S. Novoselov教授發(fā)表于Nature Materials，而在2010年兩人就因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了石墨烯材料而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，并由此掀起了石墨烯以及各種二維材料的研究熱潮。截至2021年2月17日，該文累計被引28,528次。
在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，石墨烯是一顆迅速崛起的新星。這種嚴(yán)格的二維材料具有超乎尋常高的結(jié)晶和電子特性。盡管石墨烯出現(xiàn)的時間很短，但其自身已經(jīng)揭示了一個具有一系列的新穎物理潛在應(yīng)用的聚寶盆。通常只有在出現(xiàn)商品時才能確定應(yīng)用的真實(shí)性，但石墨烯不再需要任何進(jìn)一步證明其在基礎(chǔ)物理學(xué)方面的重要性。由于其超乎尋常的電子光譜，石墨烯引導(dǎo)了“相對論”凝聚態(tài)物理的新范式的出現(xiàn)，其中量子相對論現(xiàn)象（在高能物理學(xué)中是無法觀察到的）現(xiàn)在可以在桌面實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行模擬和測試。更一般來說，石墨烯在概念上代表了僅有一個原子層厚的一類新材料，在此基礎(chǔ)上，石墨烯為低維物理學(xué)這個從未間斷并將持續(xù)為應(yīng)用提供沃土的領(lǐng)域提供了新的突破。
The rise of graphene. Nat. Mater. 6, 183–191 (2007).
https://doi.org/10.1038/nmat1849
2.Materials for electrochemical capacitors
該文2008年由美國德雷塞爾大學(xué)的Yury Gogotsi和法國圖盧茲第三大學(xué)的Patrice Simon教授發(fā)表于Nature Materials，是超級電容器特別是非對稱超級電容器的開山之作。截至2021年2月17日，該文累計被引11,312次。
電化學(xué)電容器（超級電容器）通過離子吸附（雙電層電容器）或快速的表面氧化還原反應(yīng)（贗電容電容器）來存儲能量。當(dāng)電能存儲和收集應(yīng)用中需要大功率的輸出或存儲時，電化學(xué)電容器可以補(bǔ)充甚至替換電池。近期，通過理解電容器的電荷存儲機(jī)制和開發(fā)具有先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)的電極材料，電容器的性能已經(jīng)得到了顯著改善。而離子去溶劑化發(fā)生在比溶劑化離子更小的孔中的這個發(fā)現(xiàn)，使得使用具有亞納米孔的碳電極的電化學(xué)雙電層電容器獲得了更高的電容，并為設(shè)計使用多種電解液的高能量密度電容器設(shè)備打開了大門。贗電容型納米材料（包括氧化物，氮化物和聚合物）與最新一代的納米結(jié)構(gòu)鋰電極的結(jié)合，可以使電化學(xué)電容器的能量密度更接近于電池。碳納米管的使用則進(jìn)一步推動了微電化學(xué)電容器的發(fā)展，使得柔性且適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備的制造成為了可能。數(shù)學(xué)建模和仿真計算將是成功設(shè)計下一代高比能大功率設(shè)備的關(guān)鍵。
Materials for electrochemical capacitors. Nat. Mater. 7, 845–854 (2008).
https://doi.org/10.1038/nmat2297
3.Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide
該文2007年由美國西北大學(xué)的SonBinh T. Nguyen和Rodney S. Ruoff教授等人發(fā)表于Carbon。截至2021年2月17日，該文累計被引10,520次。
采用水合肼來還原剝離氧化石墨烯薄片在水中的膠體懸浮液會導(dǎo)致它們的聚集，并隨后形成由石墨烯基薄片組成的高表面積碳材料，而通過元素分析、熱重分析、掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜、NMR光譜、拉曼光譜以及電導(dǎo)率測量可以用來表征被還原的材料。此文中，作者描述了用肼還原剝離石墨烯片的詳細(xì)過程以及所得材料的表征。特別地，作者還提供了證據(jù)來證明氧化石墨烯可以完全剝落為單獨(dú)的氧化石墨烯片，并且這種片的化學(xué)還原過程可以用于其他類石墨烯片的材料。
Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45, 1558–1565 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.02.034
4.Single-layer MoS2 transistors
該文2011年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院A. Kis教授等人發(fā)表于Nature Nanotechnology。截至2021年2月17日，該文累計被引9,140次。
二維材料在下一代納米電子器件中的應(yīng)用很有吸引力，因?yàn)榕c一維材料相比，用它來制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相對容易。研究最廣泛的二維材料是石墨烯，這是由于其具有豐富的物理性質(zhì)和高電子遷移率。但是，原始石墨烯不具有帶隙，而帶隙這一性質(zhì)對于包括晶體管在內(nèi)的許多應(yīng)用都是必不可少的。設(shè)計石墨烯帶隙會增加制造復(fù)雜性，或者將遷移率降低到應(yīng)變硅膜的水平，或者需要高電壓。盡管單層MoS2具有1.8 eV的大固有帶隙，但先前報道的在0.5-3 cm2·V-1·s-1范圍內(nèi)的遷移率對于實(shí)際設(shè)備而言仍然太低。此文中，作者使用氧化鉿柵極電介質(zhì)獲得了超過200 cm2·V-1·s-1的室溫單層MoS2遷移率，接近石墨烯納米帶，并展示了電流開/關(guān)比為1×108，待機(jī)功耗極低的室溫晶體管。由于單層MoS2具有直接的帶隙，因此可用于構(gòu)造帶間隧場效應(yīng)晶體管，與傳統(tǒng)晶體管相比，其功耗更低。單層MoS2還可以在需要薄透明半導(dǎo)體的應(yīng)用中補(bǔ)充石墨烯，例如光電子學(xué)和能量收集領(lǐng)域。
Single-layer MoS2 transistors. Nat. Nanotech. 6, 147–150 (2011).
https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279.
5.Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides
該文2012年由美國麻省理工學(xué)院Michael S. Strano教授等人發(fā)表于Nature Nanotechnology。截至2021年2月17日，該文累計被引9,101次。
石墨烯的卓越性能引起了人們對具有獨(dú)特電子和光學(xué)特性的二維無機(jī)材料的興趣。過渡金屬二鹵化物 (TMDCs)是具有強(qiáng)平面內(nèi)鍵合和弱平面外相互作用的層狀材料，可剝落成具有單個晶胞厚度的二維單層。盡管研究者們已經(jīng)對TMDCs進(jìn)行了數(shù)十年的研究，但納米級材料的表征和器件制造方面的最新進(jìn)展為二維層狀TMDCs在納米電子學(xué)和光電子學(xué)中開辟了新的機(jī)遇。諸如MoS2，MoSe2，WS2和WSe2等TMDCs具有很大的帶隙，可在單層中從間接改變?yōu)橹苯樱瑥亩梢杂糜谥T如晶體管，光電探測器和電致發(fā)光器件之類的應(yīng)用。此文中，作者回顧了TMDCs的歷史發(fā)展，制備原子級TMDCs薄層的方法，TMDCs的電子和光學(xué)特性以及TMDCs在電子學(xué)和光電子學(xué)未來的發(fā)展前景。
Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat. Nanotech. 7, 699–712 (2012).
https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193.
6.Superior thermal conductivity of single-layer graphene
該文2008年由美國加州大學(xué)河濱分校Alexander A. Balandin教授等人發(fā)表于Nano Letters。截至2021年2月17日，該文累計被引8,652次。
此文中，作者報道了借助共聚焦顯微拉曼光譜進(jìn)行的懸浮單層石墨烯中導(dǎo)熱的首次實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)拉曼G峰值頻率對激發(fā)激光功率的相對關(guān)系，作者計算出單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)室溫值高達(dá)5300 W/mK。極高的熱導(dǎo)率值表明，石墨烯在熱傳導(dǎo)方面可以勝過碳納米管（CNTs）。石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)熱性能對于其可能的電子應(yīng)用是有益的，并表明石墨烯可作為應(yīng)用于熱管理的優(yōu)異材料。已發(fā)現(xiàn)的石墨烯出色的熱學(xué)性能說明石墨烯可作為光電，光子學(xué)和生物工程學(xué)中的熱管理材料，這拓寬了其應(yīng)用范圍。
Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene. Nano Lett. 8, 3, 902–907 (2008).
https://doi.org/10.1021/nl0731872.
7.One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications
該文在2003年由美國加州大學(xué)伯克利分校楊培東教授和華盛頓大學(xué)夏幼南教授等人發(fā)表于Advanced Materials。截至2021年2月17日，該文累計被引7,710次。
此文中，作者提供了對集中于一維 (1D)納米結(jié)構(gòu)，包括橫向尺寸在1到100納米之間的線、棒、帶和管的研究工作的綜述，并關(guān)注于使用化學(xué)方法相對大規(guī)模合成的1D納米結(jié)構(gòu)。作者首先概述了已被用來實(shí)現(xiàn)1D生長的合成策略，隨后分為以下四個部分中來詳細(xì)介紹這些方法：i) 由固體材料的晶體結(jié)構(gòu)決定的各向異性生長；ii) 由各種模板限制和控制的各向異性生長；iii) 通過過飽和或通過使用適當(dāng)?shù)姆舛藙﹦恿W(xué)控制的各向異性生長，以及iv) 尚未完全證實(shí)但在產(chǎn)生1D納米結(jié)構(gòu)方面具有長期潛力的新概念。隨后作者討論了用于生長各類重要異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的技術(shù)。最后，作者重點(diǎn)介紹了與不同類型的1D納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的一系列獨(dú)特屬性（例如，熱、機(jī)械、電子、光電、光學(xué)、非線性光學(xué)和場發(fā)射等）。本文還簡要地討論了許多潛在的方法，這些方法可用于將1D納米結(jié)構(gòu)組裝到基于交叉開關(guān)連接以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)（例如2D和3D周期性晶格）的功能設(shè)備中。
One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Adv. Mater. 15, 5, 353–389 (2003).
https://doi.org/10.1002/adma.200390087.
8.Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets
該文在2008年由澳大利亞臥龍崗大學(xué)Gordon G. Wallace教授和Dan Li教授等人發(fā)表于Nature Nanotechnology。截至2021年2月17日，該文累計被引7,217次。
石墨烯納米片具有非凡的電子，熱和機(jī)械性能，并有望在各種領(lǐng)域得到應(yīng)用。而開發(fā)大多數(shù)提議的石墨烯應(yīng)用的先決條件是大量可加工的石墨烯納米片的可用性。疏水性石墨或石墨烯片在不借助分散劑的情況下直接分散在水中通常被認(rèn)為是一項(xiàng)不可克服的挑戰(zhàn)。此文中，作者報道從石墨獲得的化學(xué)轉(zhuǎn)化的石墨烯片可以通過靜電穩(wěn)定作用輕易形成穩(wěn)定的水性膠體，并能夠開發(fā)一種簡便的方法來大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯水性分散液，而無需使用聚合物或表面活性劑穩(wěn)定劑。 這一發(fā)現(xiàn)使得利用低成本的溶液加工技術(shù)加工石墨烯材料成為可能，從而為將這種獨(dú)特的碳納米結(jié)構(gòu)用于許多技術(shù)應(yīng)用提供了巨大的機(jī)會。
Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets.Nat. Nanotech. 3, 101–105 (2008).
https://doi.org/10.1038/nnano.2007.451.
9.Improved synthesis of graphene oxide
該文在2010年由美國萊斯大學(xué)James M. Tour教授等人發(fā)表于ACS Nano。截至2021年2月17日，該文累計被引7,031次。
此文描述了一種制備氧化石墨烯 (GO)的改進(jìn)方法。目前，Hummers法 (KMnO4, NaNO3, H2SO4)是用于制備氧化石墨烯的最常用方法。我們發(fā)現(xiàn)不添加NaNO3，增加KMnO4的量，并在H2SO4/H3PO4的9:1混合物中進(jìn)行反應(yīng)，可以提高氧化過程的效率。與Hummers法或添加額外的KMnO4的Hummers法相比，這種改進(jìn)的方法可以得到更多的親水性氧化石墨烯材料。而且，盡管用我們的方法生產(chǎn)的GO比用Hummers法制備的GO氧化程度更高，但是當(dāng)兩者都在同一腔室中用肼還原時，用這種新方法生產(chǎn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化石墨烯 (CCG) 與Hummers法制備的GO的電導(dǎo)率是相等的。與Hummers法相反，該新方法不會產(chǎn)生有毒氣體，并且溫度易于控制。這種改進(jìn)的合成方法對于GO的大規(guī)模生產(chǎn)以及由后續(xù)CCG組成的器件的構(gòu)造至關(guān)重要。
Improved Synthesis of Graphene Oxide. ACS Nano 4, 8, 4806–4814 (2010).
https://doi.org/10.1021/nn1006368.
10.Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices
該文在2005年由羅馬薩皮恩扎大學(xué)Bruno Scrosati教授等人發(fā)表于Nature Materials。截至2021年2月17日，該文累計被引6,958次。
新材料是能源轉(zhuǎn)換和存儲方面取得根本進(jìn)展的關(guān)鍵，而這對于應(yīng)對全球變暖和化石燃料有限性的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。近年來，由于限制材料的尺寸所帶來的不尋常的機(jī)械，電和光學(xué)性能，以及由于將整體性能與體積和表面性能結(jié)合在一起，納米結(jié)構(gòu)材料引起了人們的極大興趣，納米結(jié)構(gòu)材料對于電化學(xué)儲能也變得越來越重要。納米材料作為各種儲能設(shè)備中的電極和電解質(zhì)能夠提供特殊性能或者特性組合。 此文中，作者描述了一些用于鋰電池，燃料電池和超級電容器的納米電解質(zhì)和納米電極的最新進(jìn)展，并突出描述了上述設(shè)備的材料設(shè)計過程中的納米級的優(yōu)缺點(diǎn)。
Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nat. Mater. 4, 366–377 (2005).
https://doi.org/10.1038/nmat1368.
通過總結(jié)21世紀(jì)材料類發(fā)文情況，我們可以發(fā)現(xiàn)21世紀(jì)是材料大爆發(fā)的時代。21世紀(jì)材料論文被引用次數(shù)Top 10的論文中，5篇與石墨烯相關(guān)，2篇與其他二維材料相關(guān)，2篇與能源存儲相關(guān)。石墨烯無疑是21世紀(jì)材料中最閃耀的那顆星，石墨烯的研究熱度也催生了對一系列其他二維材料的研究和應(yīng)用，可以說21世紀(jì)的前二十年是二維材料稱雄的二十年，而應(yīng)對能源危機(jī)也同樣是材料人們關(guān)注與奮斗的方向。相信21世紀(jì)的將來會有更多新材料涌現(xiàn)出來，助力人類奔向星辰大海。
本文由踏浪供稿。
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