21世紀以來(lái)，科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展帶來(lái)了人類(lèi)的人口迅速增長(cháng)，生活水平大幅提高，能源需求也越來(lái)越大，特別是資源的加速枯竭，環(huán)境的逐漸惡化，使得人類(lèi)開(kāi)始迫切尋求新材料來(lái)應對當前的危機與挑戰，因此科學(xué)家們預測21世紀將是材料大爆發(fā)的時(shí)代，而過(guò)去20年中材料的飛速發(fā)展也印證了這一說(shuō)法。石墨烯被譽(yù)為“新材料之王”，推動(dòng)了新型電子器件的誕生和二維材料的蓬勃發(fā)展；金屬有機框架材料結構百變，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備的百花齊放，為人類(lèi)提供清潔能源；單原子催化劑的興起則表明人類(lèi)的研究領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入原子尺度。材料的發(fā)展當然離不開(kāi)無(wú)數研究人員的努力，下面我們一起來(lái)了解一下21世紀全球材料領(lǐng)域被引用次數TOP10的論文有哪些。（注：本文統計數據通過(guò)Web of Science 檢索，出版年為2000年到2021年， Web of Science分類(lèi)為MATERIALS SCIENCE MULTIDISCIPLINARY）
發(fā)文量方面，2020年材料類(lèi)論文發(fā)文量為162225篇，相較于2010年的87037篇增長(cháng)了近一倍，相較于2000年的47220篇更是增加了近三倍。
發(fā)文地區方面，21世紀材料類(lèi)發(fā)文量排名第一的國家?地區是中國，接近達到了后三名美國加日本加德國的發(fā)文量總和，21世紀的中國已經(jīng)成為了名副其實(shí)的材料大國。
來(lái)源出版物方面，21世紀材料發(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(guò)了10萬(wàn)篇，其他我們耳熟能詳的期刊還包括ACS Applied Materials and Interfaces和Langmuir等。
發(fā)文機構方面，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、俄羅斯科學(xué)院、德國亥姆霍茲聯(lián)合會(huì )、印度理工學(xué)院系統、清華大學(xué)、馬普所和中國科學(xué)院大學(xué)材料類(lèi)發(fā)文量位列前十，排名前十的機構中有三所來(lái)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年兩人就因為發(fā)現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。這種嚴格的二維材料具有超乎尋常高的結晶和電子特性。盡管石墨烯出現的時(shí)間很短，但其自身已經(jīng)揭示了一個(gè)具有一系列的新穎物理潛在應用的聚寶盆。通常只有在出現商品時(shí)才能確定應用的真實(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，石墨烯引導了“相對論”凝聚態(tài)物理的新范式的出現，其中量子相對論現象（在高能物理學(xué)中是無(wú)法觀(guān)察到的）現在可以在桌面實(shí)驗中進(jìn)行模擬和測試。更一般來(lái)說(shuō)，石墨烯在概念上代表了僅有一個(gè)原子層厚的一類(lèi)新材料，在此基礎上，石墨烯為低維物理學(xué)這個(gè)從未間斷并將持續為應用提供沃土的領(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(chēng)超級電容器的開(kāi)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(guò)離子吸附（雙電層電容器）或快速的表面氧化還原反應（贗電容電容器）來(lái)存儲能量。當電能存儲和收集應用中需要大功率的輸出或存儲時(shí)，電化學(xué)電容器可以補充甚至替換電池。近期，通過(guò)理解電容器的電荷存儲機制和開(kāi)發(fā)具有先進(jìn)納米結構的電極材料，電容器的性能已經(jīng)得到了顯著(zhù)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(gè)發(fā)現，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，并為設計使用多種電解液的高能量密度電容器設備打開(kāi)了大門(mén)。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構鋰電極的結合，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(dòng)了微電化學(xué)電容器的發(fā)展，使得柔性且適應性強的設備的制造成為了可能。數學(xué)建模和仿真計算將是成功設計下一代高比能大功率設備的關(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(lái)還原剝離氧化石墨烯薄片在水中的膠體懸浮液會(huì )導致它們的聚集，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(guò)元素分析、熱重分析、掃描電子顯微鏡、X射線(xiàn)光電子能譜、NMR光譜、拉曼光譜以及電導率測量可以用來(lái)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過(guò)程以及所得材料的表征。特別地，作者還提供了證據來(lái)證明氧化石墨烯可以完全剝落為單獨的氧化石墨烯片，并且這種片的化學(xué)還原過(guò)程可以用于其他類(lèi)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用很有吸引力，因為與一維材料相比，用它來(lái)制造復雜的結構相對容易。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的許多應用都是必不可少的。設計石墨烯帶隙會(huì )增加制造復雜性，或者將遷移率降低到應變硅膜的水平，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范圍內的遷移率對于實(shí)際設備而言仍然太低。此文中，作者使用氧化鉿柵極電介質(zhì)獲得了超過(guò)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(kāi)/關(guān)比為1×108，待機功耗極低的室溫晶體管。由于單層MoS2具有直接的帶隙，因此可用于構造帶間隧場(chǎng)效應晶體管，與傳統晶體管相比，其功耗更低。單層MoS2還可以在需要薄透明半導體的應用中補充石墨烯，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特電子和光學(xué)特性的二維無(wú)機材料的興趣。過(guò)渡金屬二鹵化物 (TMDCs)是具有強平面內鍵合和弱平面外相互作用的層狀材料，可剝落成具有單個(gè)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(kāi)辟了新的機遇。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?，從而可以用于諸如晶體管，光電探測器和電致發(fā)光器件之類(lèi)的應用。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(lái)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熱的首次實(shí)驗研究。根據拉曼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熱系數室溫值高達5300 W/mK。極高的熱導率值表明，石墨烯在熱傳導方面可以勝過(guò)碳納米管（CNTs）。石墨烯的優(yōu)異導熱性能對于其可能的電子應用是有益的，并表明石墨烯可作為應用于熱管理的優(yōu)異材料。已發(fā)現的石墨烯出色的熱學(xué)性能說(shuō)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)納米結構，包括橫向尺寸在1到100納米之間的線(xiàn)、棒、帶和管的研究工作的綜述，并關(guān)注于使用化學(xué)方法相對大規模合成的1D納米結構。作者首先概述了已被用來(lái)實(shí)現1D生長(cháng)的合成策略，隨后分為以下四個(gè)部分中來(lái)詳細介紹這些方法：i) 由固體材料的晶體結構決定的各向異性生長(cháng)；ii) 由各種模板限制和控制的各向異性生長(cháng)；iii) 通過(guò)過(guò)飽和或通過(guò)使用適當的封端劑動(dòng)力學(xué)控制的各向異性生長(cháng)，以及iv) 尚未完全證實(shí)但在產(chǎn)生1D納米結構方面具有長(cháng)期潛力的新概念。隨后作者討論了用于生長(cháng)各類(lèi)重要異質(zhì)結構納米線(xiàn)的技術(shù)。最后，作者重點(diǎn)介紹了與不同類(lèi)型的1D納米結構相關(guān)的一系列獨特屬性（例如，熱、機械、電子、光電、光學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)和場(chǎng)發(fā)射等）。本文還簡(jiǎn)要地討論了許多潛在的方法，這些方法可用于將1D納米結構組裝到基于交叉開(kāi)關(guān)連接以及復雜結構（例如2D和3D周期性晶格）的功能設備中。
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，熱和機械性能，并有望在各種領(lǐng)域得到應用。而開(kāi)發(fā)大多數提議的石墨烯應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為是一項不可克服的挑戰。此文中，作者報道從石墨獲得的化學(xué)轉化的石墨烯片可以通過(guò)靜電穩定作用輕易形成穩定的水性膠體，并能夠開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)大規模生產(chǎn)石墨烯水性分散液，而無(wú)需使用聚合物或表面活性劑穩定劑。 這一發(fā)現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，從而為將這種獨特的碳納米結構用于許多技術(shù)應用提供了巨大的機會(huì )。
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，可以提高氧化過(guò)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，但是當兩者都在同一腔室中用肼還原時(shí)，用這種新方法生產(chǎn)的化學(xué)轉化石墨烯 (CCG) 與Hummers法制備的GO的電導率是相等的。與Hummers法相反，該新方法不會(huì )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的大規模生產(chǎn)以及由后續CCG組成的器件的構造至關(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。
新材料是能源轉換和存儲方面取得根本進(jìn)展的關(guān)鍵，而這對于應對全球變暖和化石燃料有限性的挑戰至關(guān)重要。近年來(lái)，由于限制材料的尺寸所帶來(lái)的不尋常的機械，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合在一起，納米結構材料引起了人們的極大興趣，納米結構材料對于電化學(xué)儲能也變得越來(lái)越重要。納米材料作為各種儲能設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備的材料設計過(guò)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(guò)總結21世紀材料類(lèi)發(fā)文情況，我們可以發(fā)現21世紀是材料大爆發(fā)的時(shí)代。21世紀材料論文被引用次數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(wú)疑是21世紀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用，可以說(shuō)21世紀的前二十年是二維材料稱(chēng)雄的二十年，而應對能源危機也同樣是材料人們關(guān)注與奮斗的方向。相信21世紀的將來(lái)會(huì )有更多新材料涌現出來(lái)，助力人類(lèi)奔向星辰大海。
本文由踏浪供稿。
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