21世紀以來，科技突飛猛進的發展帶來了人類的人口迅速增長，生(shēng)活水平大(dà)幅提高，能源需求也越來越大(dà)，特别是資(zī)源的加速枯竭，環境的逐漸惡化，使得人類開(kāi)始迫切尋求新材料來應對當前的危機與挑戰，因此科學家們預測21世紀将是材料大(dà)爆發的時代，而過去(qù)20年中(zhōng)材料的飛速發展也印證了這一(yī)說法。石墨烯被譽爲“新材料之王”，推動了新型電(diàn)子器件的誕生(shēng)和二維材料的蓬勃發展；金屬有機框架材料結構百變，在諸多領域都大(dà)有可爲；納米材料電(diàn)極催生(shēng)了新型儲能設備的百花齊放(fàng)，爲人類提供清潔能源；單原子催化劑的興起則表明人類的研究領域已經進入原子尺度。材料的發展當然離(lí)不開(kāi)無數研究人員(yuán)的努力，下(xià)面我(wǒ)們一(yī)起來了解一(yī)下(xià)21世紀全球材料領域被引用次數TOP10的論文有哪些。（注：本文統計數據通過Web of Science 檢索，出版年爲2000年到2021年， Web of Science分(fēn)類爲MATERIALS SCIENCE MULTIDISCIPLINARY）
發文量方面，2020年材料類論文發文量爲162225篇，相較于2010年的87037篇增長了近一(yī)倍，相較于2000年的47220篇更是增加了近三倍。
發文地區方面，21世紀材料類發文量排名第一(yī)的國家⁄地區是中(zhōng)國，接近達到了後三名美國加日本加德國的發文量總和，21世紀的中(zhōng)國已經成爲了名副其實的材料大(dà)國。
來源出版物(wù)方面，21世紀材料發文量排名前三的期刊是Physical Review B、Advanced Materials Research和Journal of Alloys and Compounds，其中(zhōng)Physical Review B發文量更是超過了10萬篇，其他我(wǒ)們耳熟能詳的期刊還包括ACS Applied Materials and Interfaces和Langmuir等。
發文機構方面，中(zhōng)科院、法國國家科學研究中(zhōng)心、美國能源部、加州大(dà)學系統、俄羅斯科學院、德國亥姆霍茲聯合會、印度理工(gōng)學院系統、清華大(dà)學、馬普所和中(zhōng)國科學院大(dà)學材料類發文量位列前十，排名前十的機構中(zhōng)有三所來自中(zhōng)國。
1.The rise of graphene
該文2007年由英國曼徹斯特大(dà)學的A. K. Geim和K. S. Novoselov教授發表于Nature Materials，而在2010年兩人就因爲發現了石墨烯材料而獲得了諾貝爾物(wù)理學獎，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。
在材料科學和凝聚态物(wù)理領域，石墨烯是一(yī)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(diàn)子特性。盡管石墨烯出現的時間很短，但其自身已經揭示了一(yī)個具有一(yī)系列的新穎物(wù)理潛在應用的聚寶盆。通常隻有在出現商(shāng)品時才能确定應用的真實性，但石墨烯不再需要任何進一(yī)步證明其在基礎物(wù)理學方面的重要性。由于其超乎尋常的電(diàn)子光譜，石墨烯引導了“相對論”凝聚态物(wù)理的新範式的出現，其中(zhōng)量子相對論現象（在高能物(wù)理學中(zhōng)是無法觀察到的）現在可以在桌面實驗中(zhōng)進行模拟和測試。更一(yī)般來說，石墨烯在概念上代表了僅有一(yī)個原子層厚的一(yī)類新材料，在此基礎上，石墨烯爲低維物(wù)理學這個從未間斷并将持續爲應用提供沃土的領域提供了新的突破。
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(dà)學的Yury Gogotsi和法國圖盧茲第三大(dà)學的Patrice Simon教授發表于Nature Materials，是超級電(diàn)容器特别是非對稱超級電(diàn)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(diàn)化學電(diàn)容器（超級電(diàn)容器）通過離(lí)子吸附（雙電(diàn)層電(diàn)容器）或快速的表面氧化還原反應（赝電(diàn)容電(diàn)容器）來存儲能量。當電(diàn)能存儲和收集應用中(zhōng)需要大(dà)功率的輸出或存儲時，電(diàn)化學電(diàn)容器可以補充甚至替換電(diàn)池。近期，通過理解電(diàn)容器的電(diàn)荷存儲機制和開(kāi)發具有先進納米結構的電(diàn)極材料，電(diàn)容器的性能已經得到了顯著改善。而離(lí)子去(qù)溶劑化發生(shēng)在比溶劑化離(lí)子更小(xiǎo)的孔中(zhōng)的這個發現，使得使用具有亞納米孔的碳電(diàn)極的電(diàn)化學雙電(diàn)層電(diàn)容器獲得了更高的電(diàn)容，并爲設計使用多種電(diàn)解液的高能量密度電(diàn)容器設備打開(kāi)了大(dà)門。赝電(diàn)容型納米材料（包括氧化物(wù)，氮化物(wù)和聚合物(wù)）與最新一(yī)代的納米結構锂電(diàn)極的結合，可以使電(diàn)化學電(diàn)容器的能量密度更接近于電(diàn)池。碳納米管的使用則進一(yī)步推動了微電(diàn)化學電(diàn)容器的發展，使得柔性且适應性強的設備的制造成爲了可能。數學建模和仿真計算将是成功設計下(xià)一(yī)代高比能大(dà)功率設備的關鍵。
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(běi)大(dà)學的SonBinh T. Nguyen和Rodney S. Ruoff教授等人發表于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(lí)氧化石墨烯薄片在水中(zhōng)的膠體(tǐ)懸浮液會導緻它們的聚集，并随後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(fēn)析、熱重分(fēn)析、掃描電(diàn)子顯微鏡、X射線光電(diàn)子能譜、NMR光譜、拉曼光譜以及電(diàn)導率測量可以用來表征被還原的材料。此文中(zhōng)，作者描述了用肼還原剝離(lí)石墨烯片的詳細過程以及所得材料的表征。特别地，作者還提供了證據來證明氧化石墨烯可以完全剝落爲單獨的氧化石墨烯片，并且這種片的化學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年由瑞士洛桑聯邦理工(gōng)學院A. Kis教授等人發表于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(xià)一(yī)代納米電(diàn)子器件中(zhōng)的應用很有吸引力，因爲與一(yī)維材料相比，用它來制造複雜(zá)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(wù)理性質和高電(diàn)子遷移率。但是，原始石墨烯不具有帶隙，而帶隙這一(yī)性質對于包括晶體(tǐ)管在内的許多應用都是必不可少的。設計石墨烯帶隙會增加制造複雜(zá)性，或者将遷移率降低到應變矽膜的水平，或者需要高電(diàn)壓。盡管單層MoS2具有1.8 eV的大(dà)固有帶隙，但先前報道的在0.5-3 cm2·V-1·s-1範圍内的遷移率對于實際設備而言仍然太低。此文中(zhōng)，作者使用氧化铪栅極電(diàn)介質獲得了超過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(diàn)流開(kāi)/關比爲1×108，待機功耗極低的室溫晶體(tǐ)管。由于單層MoS2具有直接的帶隙，因此可用于構造帶間隧場效應晶體(tǐ)管，與傳統晶體(tǐ)管相比，其功耗更低。單層MoS2還可以在需要薄透明半導體(tǐ)的應用中(zhōng)補充石墨烯，例如光電(diàn)子學和能量收集領域。
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(gōng)學院Michael S. Strano教授等人發表于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(diàn)子和光學特性的二維無機材料的興趣。過渡金屬二鹵化物(wù) (TMDCs)是具有強平面内鍵合和弱平面外(wài)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。盡管研究者們已經對TMDCs進行了數十年的研究，但納米級材料的表征和器件制造方面的最新進展爲二維層狀TMDCs在納米電(diàn)子學和光電(diàn)子學中(zhōng)開(kāi)辟了新的機遇。諸如MoS2，MoSe2，WS2和WSe2等TMDCs具有很大(dà)的帶隙，可在單層中(zhōng)從間接改變爲直接，從而可以用于諸如晶體(tǐ)管，光電(diàn)探測器和電(diàn)緻發光器件之類的應用。此文中(zhōng)，作者回顧了TMDCs的曆史發展，制備原子級TMDCs薄層的方法，TMDCs的電(diàn)子和光學特性以及TMDCs在電(diàn)子學和光電(diàn)子學未來的發展前景。
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(dà)學河濱分(fēn)校Alexander A. Balandin教授等人發表于Nano Letters。截至2021年2月17日，該文累計被引8,652次。
此文中(zhōng)，作者報道了借助共聚焦顯微拉曼光譜進行的懸浮單層石墨烯中(zhōng)導熱的首次實驗研究。根據拉曼G峰值頻(pín)率對激發激光功率的相對關系，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碳納米管（CNTs）。石墨烯的優異導熱性能對于其可能的電(diàn)子應用是有益的，并表明石墨烯可作爲應用于熱管理的優異材料。已發現的石墨烯出色的熱學性能說明石墨烯可作爲光電(diàn)，光子學和生(shēng)物(wù)工(gōng)程學中(zhōng)的熱管理材料，這拓寬了其應用範圍。
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(dà)學伯克利分(fēn)校楊培東教授和華盛頓大(dà)學夏幼南(nán)教授等人發表于Advanced Materials。截至2021年2月17日，該文累計被引7,710次。
此文中(zhōng)，作者提供了對集中(zhōng)于一(yī)維 (1D)納米結構，包括橫向尺寸在1到100納米之間的線、棒、帶和管的研究工(gōng)作的綜述，并關注于使用化學方法相對大(dà)規模合成的1D納米結構。作者首先概述了已被用來實現1D生(shēng)長的合成策略，随後分(fēn)爲以下(xià)四個部分(fēn)中(zhōng)來詳細介紹這些方法：i) 由固體(tǐ)材料的晶體(tǐ)結構決定的各向異性生(shēng)長；ii) 由各種模闆限制和控制的各向異性生(shēng)長；iii) 通過過飽和或通過使用适當的封端劑動力學控制的各向異性生(shēng)長，以及iv) 尚未完全證實但在産生(shēng)1D納米結構方面具有長期潛力的新概念。随後作者讨論了用于生(shēng)長各類重要異質結構納米線的技術。最後，作者重點介紹了與不同類型的1D納米結構相關的一(yī)系列獨特屬性（例如，熱、機械、電(diàn)子、光電(diàn)、光學、非線性光學和場發射等）。本文還簡要地讨論了許多潛在的方法，這些方法可用于将1D納米結構組裝到基于交叉開(kāi)關連接以及複雜(zá)結構（例如2D和3D周期性晶格）的功能設備中(zhōng)。
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(dà)利亞卧龍崗大(dà)學Gordon G. Wallace教授和Dan Li教授等人發表于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(diàn)子，熱和機械性能，并有望在各種領域得到應用。而開(kāi)發大(dà)多數提議的石墨烯應用的先決條件是大(dà)量可加工(gōng)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(fēn)散劑的情況下(xià)直接分(fēn)散在水中(zhōng)通常被認爲是一(yī)項不可克服的挑戰。此文中(zhōng)，作者報道從石墨獲得的化學轉化的石墨烯片可以通過靜電(diàn)穩定作用輕易形成穩定的水性膠體(tǐ)，并能夠開(kāi)發一(yī)種簡便的方法來大(dà)規模生(shēng)産石墨烯水性分(fēn)散液，而無需使用聚合物(wù)或表面活性劑穩定劑。 這一(yī)發現使得利用低成本的溶液加工(gōng)技術加工(gōng)石墨烯材料成爲可能，從而爲将這種獨特的碳納米結構用于許多技術應用提供了巨大(dà)的機會。
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(dà)學James M. Tour教授等人發表于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(yī)種制備氧化石墨烯 (GO)的改進方法。目前，Hummers法 (KMnO4, NaNO3, H2SO4)是用于制備氧化石墨烯的最常用方法。我(wǒ)們發現不添加NaNO3，增加KMnO4的量，并在H2SO4/H3PO4的9:1混合物(wù)中(zhōng)進行反應，可以提高氧化過程的效率。與Hummers法或添加額外(wài)的KMnO4的Hummers法相比，這種改進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(wǒ)們的方法生(shēng)産的GO比用Hummers法制備的GO氧化程度更高，但是當兩者都在同一(yī)腔室中(zhōng)用肼還原時，用這種新方法生(shēng)産的化學轉化石墨烯 (CCG) 與Hummers法制備的GO的電(diàn)導率是相等的。與Hummers法相反，該新方法不會産生(shēng)有毒氣體(tǐ)，并且溫度易于控制。這種改進的合成方法對于GO的大(dà)規模生(shēng)産以及由後續CCG組成的器件的構造至關重要。
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年由羅馬薩皮恩紮大(dà)學Bruno Scrosati教授等人發表于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展的關鍵，而這對于應對全球變暖和化石燃料有限性的挑戰至關重要。近年來，由于限制材料的尺寸所帶來的不尋常的機械，電(diàn)和光學性能，以及由于将整體(tǐ)性能與體(tǐ)積和表面性能結合在一(yī)起，納米結構材料引起了人們的極大(dà)興趣，納米結構材料對于電(diàn)化學儲能也變得越來越重要。納米材料作爲各種儲能設備中(zhōng)的電(diàn)極和電(diàn)解質能夠提供特殊性能或者特性組合。 此文中(zhōng)，作者描述了一(yī)些用于锂電(diàn)池，燃料電(diàn)池和超級電(diàn)容器的納米電(diàn)解質和納米電(diàn)極的最新進展，并突出描述了上述設備的材料設計過程中(zhōng)的納米級的優缺點。
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21世紀材料類發文情況，我(wǒ)們可以發現21世紀是材料大(dà)爆發的時代。21世紀材料論文被引用次數Top 10的論文中(zhōng)，5篇與石墨烯相關，2篇與其他二維材料相關，2篇與能源存儲相關。石墨烯無疑是21世紀材料中(zhōng)最閃耀的那顆星，石墨烯的研究熱度也催生(shēng)了對一(yī)系列其他二維材料的研究和應用，可以說21世紀的前二十年是二維材料稱雄的二十年，而應對能源危機也同樣是材料人們關注與奮鬥的方向。相信21世紀的将來會有更多新材料湧現出來，助力人類奔向星辰大(dà)海。
本文由踏浪供稿。
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