三位材料科学家的Matter发文初体验
对于一个个极富挑战性的问题，Matter的论文作者们总是能够提出创造性的解决方案。对待科学，他们永远保持强烈的好奇心，且热衷于跨领域合作，力图将科学理论转化为可行的实际方案。
在本次Matter期刊特别推荐的内容中，我们采访了三位论文作者，请他们分享了在科研过程中的难忘经历。正是由于这段经历，他们成功地在Cell Press细胞出版社旗下材料科学旗舰新刊Matter上发表了相关论文。我们还与这些作者探讨了其研究结果在实际生产生活中的应用。
1、利用抗氧化剂成功实现Ti3C2Tx (MXene) 纳米片分散液的稳定存在和长效贮存
诸如Ti3C2Tx这一类的MXenes材料是一种令人引人入胜的二维纳米材料，具有适用于电池、超级电容器和传感器等领域应用的功能特性。然而，由于MXenes材质会在水中快速氧化和失效，这种材料组成的器件和功能涂层的制备仍然极具挑战性。作者们展示了一种通过引入类似L-抗坏血酸钠的抗氧化剂来阻止胶体Ti3C2TxMXene纳米薄片氧化的有效方法。这种方法的可行性是显而易见的，因为Ti3C2Tx纳米片能够在一定时间内保持成分、形貌、电导率和胶体稳定性等。这项研究表明，脱水的MXenes材料仍具有抗氧化性。同时，研究人员还展示了其他的抗氧化剂对于MXenes材料的保护性可能具备同样有效的效果。这些发现具有一定的潜力被广泛的应用到保护其他类型的MXenes材料上，也解决了MXene材料在工程领域中最大的挑战。
本文以L-抗坏血酸钠为抗氧化剂，研究了一种有效的防止胶体Ti3C2Tx Mxene纳米薄片氧化的方法。从Ti3C2Tx材料的稳定形貌、结构和胶体稳定性等方面可以看出，这种方法是卓有成效的。即使在含有水和氧气的环境下，利用L-抗坏血酸钠处理过的Ti3C2Tx纳米薄片的电导率在21天后也比没有处理过的要高几个数量级。这种抗氧化性在干燥环境下也持续存在。作者认为，这与L-抗坏血酸钠保护纳米片的边缘并且限制了其与水分子发生反应有关。分子动力学模拟实验证实了这一观点，抗坏血酸钠阴离子会吸附在纳米薄片的边缘位点，实现对Ti3C2Tx材料的保护。
本文作者
Jodie Lutkenhaus
德克萨斯A＆M大学副教授
作者专访
Cell Press：您如何描述自己作为科学家的身份？
Jodie Lutkenhaus：目前，我把我的工作看成是材料科学、化学工程与化学的融合，要达到这一点需要经过多年的积累。在本科生阶段，我选择了化学工程专业，因为我知道这门学科非常多样化。在研究生阶段，我主要研究聚合物科学与工程，这学科使我了解到了一个更广泛的材料科学学科领域。
Cell Press：对于那些有志成为材料学家的学生，您有什么建议？
Jodie Lutkenhaus：材料学家是我所知道的最具创造力的一类人之一。我鼓励学生去培养创造力，并且寻找不同学科知识和自己研究课题的连接点。这就需要建立一个包括合作者、同事和朋友在内，涵盖科学与工程的各个领域的强大网络。
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2、全无机环境友好型铜基稀土卤化物团簇发光材料
卤化物钙钛矿材料由于在光伏、发光二极管和光电探测器等众多领域有着巨大的应用潜力而备受关注。然而，目前最先进的高效发光卤化物钙钛矿材料含有有毒的铅离子，4开发环境友好型、稳定高效的钙钛矿类结构发光材料仍然具有一定的挑战性。一种具有高效发光的无铅无毒、环境友好型卤化物发光材料的发现在实际的发光应用中有着广阔的前景。研究团队发现了一系列在室温下呈现固态的高效发光全无机含铜稀土卤化物材料。在这一类结构中，化合物中的铜离子与卤素离子呈现3-配位几何结构，并且连接Sc-Cl八面体在交替层中形成团簇，这在调节这一系列稀土卤化物团簇材料的电子结构和发光特性方面起着至关重要的作用。
发展新型环保发光材料对于未来的固态照明、传感器和显示应用至关重要。本文通过固态反应法合成了一种全无机环境友好型铜基稀土卤化物团簇发光材料，Rb8CuSc3Cl18。在这类结构中，两个铜离子与三个稀土卤化物八面体相连接，形成一个类似浆轮状的团簇化合物。铜配位稀土卤化物团簇物质有助于产生强蓝光发光。这种铜激发的发光材料可以扩展到其他的同构化合物，如Rb8CuY3Cl18。此外，通过同构非激发物质Rb8AgSc3Cl18来说明了铜的关键作用。在结合发光光谱分析和第一性原理计算的基础上，本文作者发现对于通过金属（铜）到八面体（[ScCl6]3−）电荷转移机制获得的蓝光发光效应来说，铜的光氧化和合适的轨道能级的排列是极其重要的。全无机铜基稀土卤化物团簇材料的发现为制备有潜力的发光卤化物材料提供了一个新的策略。
本文作者
Michael Toney
斯坦福大学材料科学系主任
作者专访
Cell Press：您如何描述自己作为科学家的身份？
Michael Toney：在我的职业生涯中，我的身份几乎是持续不断的发生着变化。我在凝聚态物理方面接受过一定的学术训练。起初在IBM工作，相对较多的运用界面电化学方面的知识，很少使用物理学知识。但是我能够利用在表面结构方面的物理学科背景，并且学习足够的化学知识来做出一些重要的发现。IBM后面对基础学科失去了兴趣，我就开始研究磁盘驱动技术。很显然，是在材料科学领域。当我进入SLAC的时候，我开始研究有机光伏、储能、材料设计和金属卤化物钙钛矿这些可持续能源。简而言之，我一直跟随着我的感觉走，从一个骨干物理学家发展成为一个多学科的材料学家。
Cell Press：对于那些有志成为材料学家的学生，您有什么建议？
Michael Toney：关注传统研究领域之间的界限，这些往往都是未来发展的重要机会。同时保持一定的好奇心，并且不断学习。
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3、用于无标记传感和催化的有机-无机杂化柱芳烃基纳米材料
将贵金属和新型分子识别元素结合的有机-无机杂化材料在传感器、纳米电子学、生物医学、催化和表面增强拉曼散射（SERS）光谱等方面具有巨大的应用潜力。本文作者通过反序Turkevich法用具有柱状刚性结构的芳烃对单层分散的AuNPs进行原位涂覆，制备了一种有机-无机杂化柱芳烃基纳米材料。由于在柱芳烃与客体之间存在着尺寸适当的纳米粒子以及主-客体相互作用，纳米材料不仅在百草枯的无标记检测中表现出最佳的检测性能，而且对硝基苯酚的还原具有高效且稳定的催化作用。合成大环化合物和金纳米颗粒的结合方式多种多样，为有机-无机杂化纳米材料的制备提供了有趣的见解，这将有助于激发和实现先进材料的最终应用。
利用水溶性柱[6]芳烃（CP6）作为胶体合成中有效的还原剂和稳定剂，通过反序Turkevich法制备了具备超分子大环CP6纳米多孔层的球形金纳米颗粒。利用水溶性柱[6]芳烃（CP6）与阳离子客体之间的主-客体相互作用，对水溶性柱[6]芳烃（CP6）功能化纳米颗粒进行可控组装。值得注意的是，为了减少检测限并拓宽定量检测的线性范围，我们结合使用了两种不同的光谱分析方法，实现了除草剂百草枯（甲基紫精）无标记检测的广泛使用。此外，水溶性柱[6]芳烃（CP6）功能化纳米颗粒对还原邻/间/对位硝基苯酚具有高效的催化活性。这种简单、原位一锅法为其他有机-无机杂化纳米材料的构筑和在传感、催化中的应用提供了全新视角和有效策略。
本文作者
杨英威
吉林大学教授
作者专访
Cell Press：您如何描述自己作为科学家的身份？
杨英威：我获得了物理化学博士学位，随后在合成化学、生物化学、聚合物科学、超分子化学和杂化材料等多个领域开展了近五年的博士后研究。目前，我在吉林大学的团队是高度跨学科的，以有机和超分子功能材料为中心，涵盖了化学、材料科学、纳米科学和生物学等领域。我认为自己是一个在合成化学方面的材料学家，或者我会说是一个材料化学家。
Cell Press：对于那些有志成为材料学家的学生，您有什么建议？
杨英威：对于我在Matter上发表的第一篇论文，我们通过与几个世界知名研究小组的密切合作，利用合成化学和超分子方法开发了一种新型的用于无标记除草剂检测和有机催化的有机-无机杂化材料。本研究高度跨学科的特性和以材料应用为导向，使得这一篇论文成为材料科学论文，而不是化学或者物理论文。
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关于Matter
Matter是Cell Press细胞出版社推出的全新材料科学新期刊，第一期现已上线，请点击文末“阅读原文”查看全部内容。
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