合成过程

【科学背景】共价有机框架（COFs）是一类功能性材料，能够在能量转换和存储方面发挥作用。然而，尽管近20年的研究，对于它们的合成条件却缺乏统一的预测规则。这部分是由于对于形成的早期阶段的成核和生长的认识仍然不完整。为了解决这一挑战，科学家们需要一种能够在操作中进行研究的技术，以全面理解COF形成的动态过程。鉴于此，德国慕尼黑大学的Richard Martel & Emiliano Cortés等研究者在“Nature”期刊上发表了题为“Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando”的最新论文。科学家们使用了干涉散射显微镜（iSCAT）技术，首次揭示了在COF合成过程中液液相分离的现象，这表明了溶剂在形成过程中的关键作用。利用这些发现，他们成功地开发了一种新的COF合成方案，在室温下进行反应，实现了对合成条件的有效设计。这项研究的结果揭示了溶剂在COF合成中的重要性，并为有理材料合成提供了新的视角和方法。【科学亮点】(1) 本研究首次利用干涉散射显微镜（iSCAT）技术进行了COF聚合和框架形成的操作内研究。这一技术在高速度（微秒/毫秒级）下结合了亚5纳米的灵敏度和高空间分辨率，使得能够观察到反应混合物中的所有物质，包括晶态、非晶态、液体/固体相。(2) 实验结果显示，COF的形成过程中存在液液相分离，表明常规COF合成中存在结构化溶剂，呈现为无表面活性剂的（微）乳液。此外，发现溶剂的作用不仅仅是溶解性，还通过将反应物和催化剂分隔开来起到了动力学调节剂的作用，从而影响COF的形成过程。（3）基于这些发现，作者成功开发了一种室温下合成COF的新协议，摆脱了之前合成中需要提高温度的限制。这项工作将框架合成与液相图连接起来，为合理设计反应环境提供了新的方法。【科学图文】图1：iSCAT是全面了解COF形成机制的有效工具。图2. 实时iSCAT图像在空间和时间上显示COF的形成，在添加催化剂后的毫秒内显示液-液相分离过程。图3. 常规碳纳米管合成中的溶剂结构。图 4：合理设计了COFs的室温合成方案。【科学结论】这项研究为理解和优化复杂湿化学过程（如COF合成）提供了新的科学启示。通过使用iSCAT显微镜直接成像，作者得以深入解析COF合成的多阶段过程，揭示了液液相分离等关键现象。同时，作者提出的IAC合成方案展现了在温和条件下合成框架材料的可靠途径，这为设计更高性能的COF材料提供了新的思路。此外，作者提出的通过液相图定制反应环境的策略不仅可以用于COF合成，还可以推广到其他材料的合成领域，为实现有理材料合成提供了可行性方案。这一研究还强调了利用光散射技术可视化反应过程的重要性，这为更深入地理解化学反应机制提供了新的方法。综上所述，本研究不仅为COF合成提供了新的合成策略和理解机制，还为湿化学过程的探索提供了新的科学思路和方法。原文详情：Gruber, C.G., Frey, L., Guntermann, R. et al. Early stages of covalent organic framework formation imaged in operando. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07483-0

“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋，全中国每人一只都不够，没有合成橡胶技术，我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足，合成化学功不可没。 　　合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。 　　合成化学功不可没 　　合成化学，这一概念大家也许并不陌生。早在1902年，第二届诺贝尔化学奖颁发给合成化学大师、生物化学之父——Emil Fischer 1905年诺贝尔化学奖则颁发给Fischer的导师、化学染料合成大师——Adolf von Baeyer，这两位合成先驱的高超合成技法至今看来仍然精彩至极。 　　此后又有多位合成化学家陆续斩获诺贝尔化学奖。可以说在百年诺奖历史上，合成化学家的名字举不胜举，合成化学在人类发展过程中的重要地位也可见一斑。 　　所谓合成化学，就是使用简单、易得、廉价的化学原料通过一系列的化学反应最终得到目标产物。合成化学并不狭义地仅限于有机合成化学，无机合成化学、纳米化学都是典型的合成化学，因成功制备单质F2而获得诺贝尔化学奖的药剂师Moissan以及因为发明合成氨方法而获得诺贝尔奖的Fritz Haber也是著名的合成化学家。 　　我的一位化学启蒙老师曾说：“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋，全中国每人一只都不够，没有合成橡胶技术，我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足，合成化学功不可没。 　　合成化学的局限 　　然而，随着工业化的发展，越来越多的问题也开始浮出水面。上个世纪，《寂静的春天》一书犀利地指出了人类化学工业发展给自然带来的巨大问题，其中充满讽刺意味的是引起严重污染的DDT分子。其作用发现者和推广者Paul Hermann Müller却在1948年获得诺贝尔生理学或医学奖。DDT此后一度被禁止使用并且引发了科学家们对于合成化学危害性的进一步讨论。 　　但是故事远没有结束，由于暂时还未能找到一种更经济有效、对环境危害又小且能代替DDT的杀虫剂，世界卫生组织于2002年宣布，将重新启用DDT用于控制蚊子的繁殖以预防疟疾、登革热、黄热病等在世界范围的卷土重来。 　　随着地球上石油储备的日渐减少，合成化学面临着新的挑战，目前以石油工业为基础的化学合成工业未来将何去何从引人深思。悲观者认为，随着石油的耗尽，人类将逐渐倒退回石器时代 乐观者认为，聪明的合成化学家一定能开发出新的廉价原料以替代石油化工原料。 　　斯坦福大学化学系主任、著名化学家B.M.Trost提出了他的解决方法：化学反应的“原子经济性”(Atom economy)，即在化学品合成过程中，合成方法和工艺应被设计成能把反应过程中所用的所有原材料尽可能多地转化到最终产物中。 　　如果原料能百分之百地转化为产物，那是令人满意的，因为这样可以尽可能减少副产物对于环境的污染和对于资源的浪费。但是这仅仅是一个退守的方案，而并不是一个最终的解决办法。现有的常见原料迟早都会耗尽、大量低沸点有机溶剂的使用始终难以避免、重金属催化的反应越来越多……如果没有革命性的新理念，恐怕多年后合成化学将面临更大的危机。 　　“年轻”的合成生物学 　　近年来，“合成生物学”的概念开始进入我们的视野。 　　ACS(美国化学学会)在2012年推出关于合成生物学的杂志ACS Synthetic Biology 我国天津大学、中科院植生所、武汉大学药学院、中科院生物物理所纷纷成立合成生物学及相关平台 清华大学生命科学院教授陈国强、戴俊彪都无私提供自己的科研实验室支持本科生进行合成生物学研究探索。 　　那么，何谓“合成生物学”呢? 　　2000年E. Kool将之定义为基于系统生物学的遗传工程，从基因片段、人工碱基DNA、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程的生物技术新领域。 　　很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒。而实际上，合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。 　　助解多种难题 　　那么，合成生物学有望解决哪些问题呢? 　　首先是能源问题。 　　石油、煤、天然气都来自于古代植物对于太阳能的积累，是将太阳能转化为化学能储存的反应过程。严格地说这些都应该是可再生资源，但是亿万年的形成周期实在让人类无法等待，因此这些资源成为了“非再生资源”。 　　那么是否能够加速这一过程?是否可以通过合成生物学构建新的生命反应体系快速有效地固定太阳能并转化成更够为人类利用的化学形式? 　　某些经过合成生物学方法改造过的光合藻类富含大量的脂质，被人们称为“生物柴油”，目前已经有一些使用“生物柴油”的热机问世。但是此项研究问题不少，远远不足以解决日益严峻的能源危机问题，这需要更多代的科学家不懈努力。 　　其次是化工原料问题。 　　我们的祖先早已开发出了酿酒、酿醋等微生物发酵技术，除了食用，乙醇和乙酸都是重要的工业原料。除此之外，微生物还能通过糖酵解等过程为我们提供丁醇、乳酸、甲烷等工业原料。通过其他方法，还可以从中获取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有潜在工业价值的原料。 　　或许很多年后，工业上不再使用乙烯生产量来衡量化工生产能力，而开始利用全新的模块、原料来构建新的工业大厦，这些原料不再来源于石油，而是从发酵罐中源源不断取来。 　　第三，则是医药健康问题。 　　真菌、放线菌、植物能够产生结构新颖、生物活性多样的次级代谢产物，大部分临床抗生素来源于这些次级代谢产物。其中很多药物分子由于天然含量低、提取困难等因素，目前还是通过全合成或半合成为主要方式得到，因此价格昂贵。 　　通过合成生物学手段，将产生这些代谢产物的基因簇进行异缘表达并利用发酵工程进行大规模制备，将可能是一个解决药品供应和价格昂贵问题的方法。但是这一过程并不容易实现，需要涉及到很多代谢途径改造、密码子优化、瓶颈效应避免等问题。绝不是说只要发现的天然产物就可以立刻大规模发酵得到，每一个化合物的工业化生产都是一个巨大的挑战。 　　此外，合成生物学还有助于解决环境问题。 　　“白色污染”成为上个世纪人类最为头疼的环境问题之一，可降解塑料的研究也成了科学界的热点问题。“生物塑料”是一个比较新的概念，目前发现60个属以上的细菌能够合成并贮藏聚β-羟基丁酸(PHB)的颗粒。PHB无毒、可塑、易降解，可用于制作医用塑料器皿和外科手术线等。 　　通过合成生物学手段有望得到更高产、更多样性的生物塑料生产菌株。取之于自然、用之于自然，人与其他生物和谐相处，这将是解决环境问题的必由之路。 　　(作者单位系中科院上海有机化学研究所)

【研究背景】二维原子晶体（2DACs）是指厚度仅为单原子层的材料，如层状过渡金属硫化物（TMDs）。由于其在原子尺度下优异的电子性能（如载流子迁移率）和丰富的物理性质（如半导体、超导体、金属等），二维原子晶体已成为材料科学和纳米技术领域的研究热点。然而，二维原子晶体在实际应用中面临诸多挑战，如可控的合成厚度、均匀的横向尺寸、层间耦合、异质结构界面、晶体相和空间位置等问题。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋团队和湖南大学段曦东团队合作在合成技术方面做出了重要进展，尤其是化学气相沉积（CVD）技术的应用。近年来，研究者们致力于提升大面积单晶、二维横向和纵向异质结构、超晶格以及位置控制生长的可控性。尽管取得了显著进展，但仍存在挑战，例如晶圆级均匀性异质结构和超晶格的生长、在任意基底上周期性异质结构的位选择性生长、具有可控扭转角的同/异双层以及与先进集成电路工艺兼容的低温高质量二维异质结构的合成。为了克服这些挑战，必须深入理解和精确控制成核与生长过程。这些研究不仅推动了CVD合成技术的发展，也为设计量子光子器件、探索莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体）以及实现二维原子晶体在下一代电子和光电子应用中的潜力奠定了基础。【科学亮点】（1）实验首次通过化学气相沉积（CVD）合成大面积单晶二维原子晶体（2DACs）和其异质结构，取得了良好的厚度、横向尺寸和层间耦合的控制。这些实验成功地实现了大面积均匀的单晶生长，并扩展到二维横向和纵向异质结构及超晶格的合成。（2）实验通过对二维原子晶体合成过程中的成核和生长过程的精确控制，取得了以下结果：&bull 实现了大面积均匀的二维异质结构和超晶格，显示出较好的材料一致性和性能稳定性。&bull 成功开发了在任意基底上周期性异质结构的位选择性生长技术，提高了材料的功能性和应用范围。&bull 在低温条件下合成高质量的二维异质结构，兼容最先进的集成电路制造工艺，为未来电子器件的应用铺平了道路。&bull 这些进展推动了量子光子器件的设计，探索了莫尔材料中的新量子现象（如Wigner晶体状态和Mott绝缘体），并为二维原子晶体在下一代电子和光电子设备中的应用奠定了基础。【图文解读】图1：CVD 合成二维 TMDs 和异质结构的挑战。图2：2D 横向异质结构和超晶格的合成。图3：二维垂直异质结构和莫尔超晶格的合成。图4：二维垂直超晶格。图5：位置控制生长。【结论展望】本文揭示了二维原子晶体（2DACs）及其异质结构在实际技术应用中的关键挑战和前沿进展。通过分析CVD合成技术的可控性、可扩展性和均匀性，本文突出了在实现大面积单晶、二维异质结构、超晶格以及位置控制生长方面的最新进展。这些进展不仅推动了2DACs材料的科学研究，也为其在量子光子器件和下一代电子光电子设备中的应用奠定了基础。然而，尽管取得了显著进展，本文也指出了仍需解决的重大挑战，如晶圆级大面积均匀性生长、异质结构的位选择性生长、具有可控扭转角的双层合成以及与集成电路制造工艺兼容的低温合成。这些挑战要求对成核和生长过程有更深入的理解，并需要材料科学家、化学家和工程师的跨学科合作。克服这些挑战将推动二维原子晶体的进一步发展，开启量子现象的新探索，并实现其在新兴技术中的广泛应用。原文详情：Li, J., Yang, X., Zhang, Z. et al. Towards the scalable synthesis of two-dimensional heterostructures and superlattices beyond exfoliation and restacking. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01989-8