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【大牛指路】新科院士遲力峰成名佳作賞析！

來源：測試GO 時(shí)間：2022-04-13 20:39:08 瀏覽：3112次

01

人物簡介

2021年11月中旬，根據(jù)《中國科學(xué)院院士章程》、《中國科學(xué)院院士增選工作實(shí)施細(xì)則》和《中國科學(xué)院外籍院士選舉辦法》等規(guī)定，2021年中國科學(xué)院選舉產(chǎn)生了65名中國科學(xué)院院士和25名中國科學(xué)院外籍院士。

在此次中科院新當(dāng)選院士名單中，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院教授、博士生導(dǎo)師遲力峰教授位列其中（圖1）。

圖1 2021年新增中科院院士部分名單（化學(xué)部）

遲力峰，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院教授、博士生導(dǎo)師，德國明斯特大學(xué)兼職教授，中國科學(xué)院院士。

遲力峰院士1982年畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系，1989年于在德國Goettingen大學(xué)獲博士學(xué)位，1990~1993年在德國美因茲大學(xué)和BASF公司從事博士后研究。2000年在德國明斯特大學(xué)晉升為教授，2004年起任德國明斯特大學(xué)物理系教授。2003~2011年任吉林大學(xué)超分子材料與結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雙聘教授。2012年加盟蘇州大學(xué)FUNSOM研究院任特聘教授。2020年獲評(píng)歐洲科學(xué)院外籍院士。2021年11月當(dāng)選中國科學(xué)院化學(xué)部院士。

遲力峰教授長期在物理化學(xué)領(lǐng)域從事表界面分子組裝及反應(yīng)的研究。現(xiàn)任《中國高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)》副主編，擔(dān)任ACS Nano、Chem. Commun.、Small、Acc. Mater. Res.等學(xué)術(shù)期刊的編委或顧問編委。2016年獲美國ACS Nano Lectureship獎(jiǎng)；2017年獲IUPAC化學(xué)化工杰出女性獎(jiǎng)；2020年先后入選為歐洲科學(xué)院（Academia Europaea）外籍院士以及中國化學(xué)會(huì)首屆會(huì)士。主持了多項(xiàng)國家基金委重大研究計(jì)劃重大/重點(diǎn)項(xiàng)目、基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目和國家科技部重點(diǎn)研究任務(wù)項(xiàng)目等。

截止目前在包括Science、Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和Advanced Materials等高水平雜志上發(fā)表論文400余篇，谷歌學(xué)術(shù)檢索遲力峰院士可以發(fā)現(xiàn)，其H指數(shù)為69，i10指數(shù)高達(dá)296，學(xué)術(shù)論文總引用量超過1.7萬+（圖2）。此外，遲力峰院士還為9本專著撰寫章節(jié)，主編Wiley納米叢書專著一部，主編《中國科學(xué)》表面分子與超分子專刊一冊，獲授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)。

圖2 谷歌學(xué)術(shù)檢索遲力峰院士個(gè)人資料

遲力峰院士在表面界面組裝及納米表征方面具有突出貢獻(xiàn)，其研究領(lǐng)域也是緊緊圍繞這兩點(diǎn)展開（圖3），主要包括：

（1） 表面分子自組裝行為的研究。包括：利用掃描隧道顯微鏡研究分子結(jié)構(gòu)和生長條件等對分子組裝結(jié)構(gòu)的影響；

（2）表面在位化學(xué)。表面在位化學(xué)是近幾年剛剛發(fā)展起來的實(shí)現(xiàn)可控穩(wěn)定分子功能結(jié)構(gòu)的新方法，提供了構(gòu)筑共價(jià)相連并精準(zhǔn)可控的有機(jī)納米結(jié)構(gòu)的可能性。研究團(tuán)隊(duì)將利用超高真空掃描隧道顯微鏡從原子分子層面開展對反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)過程、中間態(tài)及產(chǎn)物的研究，特別對功能分子電子態(tài)及催化活性的系統(tǒng)表征；

（3）功能分子材料與結(jié)構(gòu)表面。主要研究有機(jī)半導(dǎo)體生長、調(diào)控在器件方面的應(yīng)；

（4）表面微區(qū)物理性質(zhì)表征。采用原子力顯微鏡在納米尺度上表征表面結(jié)構(gòu)、形貌以及有機(jī)高分子材料表面的微區(qū)物理性質(zhì)，包括電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)。

圖3 遲力峰院士團(tuán)隊(duì)研究方向

為了帶領(lǐng)大家一覽大牛風(fēng)采，下面，筆者將挑選遲力峰院士研究團(tuán)隊(duì)近些年來引用量較高的“成名佳作”，進(jìn)行簡單的匯總解讀，希望能給相關(guān)領(lǐng)域科研工作者帶來一絲啟發(fā)。

02

成名佳作賞析

Nature：可控各向異性潤濕的納米通道晶格

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/35003149

工程化的微觀表面結(jié)構(gòu)可以通過局部改性來調(diào)控其表面性能，比如表面的附著力、摩擦性質(zhì)和潤濕性等。而這些性能又與分子間相互作用和表面拓?fù)溆嘘P(guān)。具有不同潤濕性的橫向結(jié)構(gòu)表面可以使用各種技術(shù)來產(chǎn)生，如微接觸印刷、微機(jī)械加工、光刻和蒸汽沉積等。然而，這些生產(chǎn)技術(shù)大多工藝復(fù)雜、周期較長，且易產(chǎn)生缺陷產(chǎn)品。

有鑒于此，遲力峰院士團(tuán)隊(duì)^[1]提出了一種快速且簡單的方法來制備能在納米尺度上控制潤濕性的擴(kuò)展圖案表面，該方法不需要任何光刻過程。作者通過在云母上使用單層L-α-二棕櫚酰-磷脂酰膽堿（DPPC）來生成具有通道晶格的結(jié)構(gòu)化表面，顯示出高潤濕性對比度和高達(dá)20000 cm^-1的空間密度。

這種橫向結(jié)構(gòu)可以在低單層表面壓力和恒溫下通過快速取出云母基板來實(shí)現(xiàn)。使用掃描力顯微鏡（SFM）對其進(jìn)行表面形貌分析，結(jié)果顯示該橫向結(jié)構(gòu)具有約200 nm寬的規(guī)則親水通道，這些通道被單分子高度約800 nm的疏水條紋隔開（圖4）。此外，這些結(jié)構(gòu)在宏觀距離上的延伸僅受基板尺寸的限制，因此，作者認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)化的表面可以用作具有高選擇性吸附的模板。

為了驗(yàn)證其高的選擇吸附特性，作者將溶解在 1-苯基辛烷中的有機(jī)配體殼穩(wěn)定的金簇（Au）滴在結(jié)構(gòu)化云母表面上（圖5）。結(jié)果表明，即使暴露于這種溶劑中，DPPC薄膜依然保持絕對穩(wěn)定，只有少數(shù)Au簇聚集體位于條紋區(qū)域的頂部，表現(xiàn)出幾乎完美的選擇性吸附。

圖4 結(jié)構(gòu)化表面的SFM圖像

圖5 液態(tài)沉積Au簇的SFM圖像

Science：金表面的線性烷烴聚合

原文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1211836

烷烴是石油、天然氣和沼氣的主要成分，是化工生產(chǎn)的常見原料之一。長期以來，人們一直希望直接使用相對惰性的烷烴來進(jìn)行聚合，以便獲得相對便宜的前驅(qū)體。在過去的幾十年里，利用過渡金屬中心在溫和的條件下高選擇性地激活C-H鍵，可以在金屬中心和烷基之間形成結(jié)合鍵。

此外，在某些過渡金屬表面吸附的烷烴也可以實(shí)現(xiàn)C-H鍵的活化，雖然這種方法的選擇性較差。碳?xì)滏I活化和直接碳碳偶聯(lián)反應(yīng)將使得在超酸性條件下和具有催化劑的高溫條件下低分子量碳?xì)浠衔锏母叻肿踊蔀榭赡堋?/span>

長期以來，塊狀的黃金（Au）一直被認(rèn)為是活性最低的，表現(xiàn)出較差的催化活性。鎳（111）表面部分取代金原子甚至能抑制甲烷的C-H鍵解離吸附。然而，負(fù)載金納米顆粒的超薄膜作為多相催化劑卻具有較強(qiáng)的催化活性，但目前關(guān)于Au催化惰性烷烴聚合的研究尚未見報(bào)道。

有鑒于此，遲力峰院士聯(lián)合德國明斯特大學(xué)Erker和Fuchs教授等人^[2]設(shè)計(jì)了一種具有一維（1D）約束的Au（110）表面，并將其作為烷烴C-H鍵活化的異構(gòu)催化劑。作者在具有300 K溫度的超真空條件下將C₃₂H₆₆沉積在Au（110）表面上，與較短的直鏈烷烴相比，C₃₂H₆₆單體與表面的相對強(qiáng)的相互作用抑制了它們在高溫下的解吸，掃描隧道顯微鏡（STM）觀察到聚合分子沿金原子的溝槽進(jìn)行1D聚合，程序升溫解吸（TPD）過程顯示出了聚合過程中H₂的生成信號(hào)，尤其是在529 K的溫度下（圖6）。

此外，密度泛函理論計(jì)算（DFT）結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了該烷烴在金表面的線性脫氫聚合過程。這項(xiàng)工作為相對惰性烷烴的線性聚合提供了強(qiáng)力的指導(dǎo)思路與借鑒意義。

圖6 Au（110）表面的脫氫聚合

JACS：芘型石墨烯納米帶的表面合成

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja511995r

由于石墨烯納米帶（GNRs）的邊緣幾何形狀和寬度對其能帶結(jié)構(gòu)有很大的影響，因此以原子級(jí)別的精度制備GNRs對其未來的應(yīng)用至關(guān)重要。雖然自上而下的制備途徑無法完全滿足這些要求，但近年來在單晶金屬表面上自下而上合成扶手椅型石墨烯納米帶（AGNRs）的進(jìn)展為實(shí)現(xiàn)理想結(jié)構(gòu)的GNRs提供了很大希望。例如，在Au（111）表面通過熱引發(fā)脫鹵和高溫脫氫兩步反應(yīng)合成了7-AGNRs和13-AGNRs（數(shù)字表示GNR寬度上的碳原子數(shù)）。然而，即便如此，對于反應(yīng)過程及機(jī)理的探索依然十分匱乏。

有鑒于此，遲力峰院士聯(lián)合德國明斯特大學(xué)Klaus和Harald教授等人^[3]在超高真空下通過1, 4, 5, 8-四溴萘（TBN）的脫鹵化反應(yīng)，在Au（111）表面上合成了5-AGNR，掃描隧道顯微鏡（STM）展現(xiàn)了帶隙在基板溫度變化下的結(jié)構(gòu)演變，并首次揭示了中間產(chǎn)物Au-萘雜化物的形成。

分析認(rèn)為，TBN分子在Au（111）表面的沉積促進(jìn)了C-Br鍵的解離和隨后的TBN自由基的偶聯(lián)。且由于分子的大小明顯大于TBN分子，襯底溫度（370 K）足夠高，根據(jù)圖像清晰度，解離形成的自由基可以與金原子共價(jià)連接，在Au（111）表面形成穩(wěn)定的Au-萘雜化物（圖7）。

400 K下的高分辨STM圖像同樣證實(shí)了Au-萘中間體的存在。測試所得中間體長度為1.1 nm，與理論結(jié)果幾乎一致（1.13 nm），此外，1.5 nm和1.9 nm的長度則分別對應(yīng)三個(gè)和四個(gè)萘基與Au的共價(jià)連接（圖8）。

圖7 Au（111）表面 5-AGNR 的合成

圖8 5-AGNR 合成中Au-萘中間體的存在

Advanced Materials：基于超薄有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的高性能場效應(yīng)氨傳感器

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201301138

傳感器按工作原理可分為電氣傳感器、光學(xué)傳感器、磁傳感器等。由于電信號(hào)的檢測一般不需要復(fù)雜的檢測設(shè)備，所以在器件配置上比較簡單。在基于不同幾何結(jié)構(gòu)的電子傳感器中，基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFET）的傳感器由于具有低成本、高便攜性、強(qiáng)靈敏性和選擇特性等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物和氣體檢測領(lǐng)域。

同時(shí)，更高的靈敏度和更快的響應(yīng)/恢復(fù)速度將顯著提高傳感器的可信度和保真度，從而擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。但由于在OFET中，導(dǎo)電通道位于有機(jī)半導(dǎo)體（OSC）和電介質(zhì)之間的界面處，而OFET中常用厚且連續(xù)的OSC薄膜（數(shù)十納米），這導(dǎo)致導(dǎo)電通道之間的相互作用變得困難。

有鑒于此，遲力峰院士聯(lián)合德國明斯特大學(xué)Klaus教授等人^[4]通過浸涂工藝設(shè)計(jì)并制備了一種具有4-6個(gè)分子層（厚度為6.5-11 nm）和一維連續(xù)性的OSCs樹枝狀微帶，基于該超薄微帶，作者實(shí)現(xiàn)了靈敏度顯著增強(qiáng)和響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間顯著縮短的氨傳感器。

考慮到選擇合適的活性O(shè)SC是高性能傳感器的先決條件之一，尤其是考慮到靈敏度和選擇性（OSC的化學(xué)性質(zhì)決定了OSC與分析物之間相互作用的類型、強(qiáng)度和特異性）。為此，作者使用了一種可溶液處理的OSC，即二烷基四硫并五苯（DTBDT-C6）。通過優(yōu)化生長條件，可在大面積（厘米級(jí)）上獲得均勻且超薄的樹枝狀微帶（圖9）。

隨后，作者檢測了基于該超薄樹枝狀微帶的OFET的器件穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，器件在超過3000 s的連續(xù)偏置應(yīng)力下依然保持穩(wěn)定。為了模擬真實(shí)的工作條件，對其進(jìn)行了短周期和長周期測試。結(jié)果表明，在超過3000 s的12次循環(huán)中，傳感器工作平穩(wěn)，可逆性和運(yùn)行穩(wěn)定性良好。在空氣中存放25-35天后，傳感器依然具有很高的靈敏度，且響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（10-30 s）幾乎沒有變化（圖10）。這項(xiàng)工作代表了基于OFET的傳感器領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。

圖9 超薄樹枝狀微帶的形貌結(jié)構(gòu)

圖10 超薄樹枝狀微帶傳感器的穩(wěn)定性和檢測限測試

參考文獻(xiàn)

[1] Gleiche, M., Chi, L. & Fuchs, H. Nanoscopic channel lattices with controlled anisotropic wetting. Nature 403, 173–175 (2000). DOI: 10.1038/35003149.

[2] Dingyong Zhong, J?rn-Holger Franke, Santhosh Kumar, et al. Linear Alkane Polymerization on a Gold Surface. Science 334, 213-213. DOI: 10.1126/science.1211836.

[3] Haiming Zhang, Haiping Lin, Kewei Sun, et al. On-Surface Synthesis of Rylene-Type Graphene Nanoribbons. Journal of the American Chemical Society 2015 137 (12), 4022-4025. DOI: 10.1021/ja511995r.

[4] Liqiang Li, Peng Gao, Martin Baumgarten, et al. High Performance Field-Effect Ammonia Sensors Based on a Structured Ultrathin Organic Semiconductor Film. Adv. Mater. 2013, 25, 3419–3425. DOI: 10.1002/adma.201301138.

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