碳纳米结构在能源、环境和生物领域高级应用中的介绍

《Nanoscale Advances》：Introduction to carbon nanoarchitectonics for advanced applications in energy, environment and bio

碳纳米架构学融合纳米技术与材料化学，通过精确调控碳基材料结构实现多功能应用。其核心价值在于提升能源存储（如锌空气电池催化剂）、环境检测（如甲醛荧光传感器）和生物医学（如靶向药物递送）领域的技术性能，并借助AI加速材料设计创新。

　　

这篇社论总结了碳纳米结构学的历史，并概述了其重要性，同时列举了在能源、环境和生物相关应用方面的最新实例。

在这篇社论中，我们将介绍“碳纳米结构学”这一新兴领域。我们将阐述构成这一概念的“碳”和“纳米结构学”这两个术语的含义。碳的重要性不容否认。它是生命的基本要素，因为所有生物体（包括人类）的基本结构都是由碳构成的。因此，碳与生物现象和社会活动密切相关。一个典型的例子是碳中和，这在应对全球变暖方面至关重要。迫切需要开发能够最小化碳（二氧化碳）排放的系统和功能性材料。碳材料具有多种优良的特性，例如重量轻却强度高、导电和导热性能优异、耐热性强以及化学稳定性好。它们被广泛应用于各个领域，从航空航天到医学。除了作为结构材料外，碳材料还用于需要生物相容性的领域，以及利用其X射线透明性的医疗设备中。在电子领域，研究人员正在研究碳纳米管等纳米碳材料在半导体制造过程、电池电极和下一代显示材料中的应用。碳材料在能源领域作为催化剂也非常有用，人们寄希望于它们能够替代昂贵的贵金属。

碳是一种重要的元素，被广泛应用于各种材料中。因此，近年来它成为研究的热点并不令人意外。其中，纳米碳材料尤其受到了广泛关注。^1,2 对具有纳米尺度结构的碳材料（如富勒烯、碳纳米管和石墨烯）的研究正在蓬勃发展。关键在于，这些材料不仅含有碳元素，还具有纳米级结构。事实上，人们已经认识到，对于许多材料来说，控制纳米结构而不仅仅是材料本身才是关键。³ 21世纪的一个核心概念就是“纳米结构学”。³ 下面将简要解释这个术语。

我们已经掌握了制造各种功能性材料所需的科学技术，^4–6 主要应用于材料化学领域。在人类历史的长河中，我们逐渐认识到，精确控制材料的结构及其性质可以提高其功能性。正是在这种背景下，纳米技术于20世纪中叶应运而生。纳米技术使我们能够在原子和分子层面观察结构，^7,8 操控它们^9,10 并阐明纳米空间中的性质。^11,12 通过利用材料化学的力量来创造材料，并借助纳米技术来控制纳米尺度，我们的下一个目标是开发出具有可控纳米结构的功能性材料。这一目标通过“纳米结构学”得以实现，这是21世纪初出现的后纳米技术概念。¹³ 它旨在结合材料化学和纳米技术的力量，从原子、分子和纳米单元等基本单元出发，创造出功能更强的材料。换句话说，纳米结构学是一种综合性的材料开发理念，整合了材料化学和纳米技术的优势。由于所有物质都由原子和分子组成，这种方法可以应用于所有材料。纳米结构学的最终目标是为材料科学的所有领域提供一种通用方法。^14,15 在物理学中，最终目标是构建一个涵盖所有现象的理论，即一种超级统一理论。如果化学领域也能实现这样的目标，那将是非常伟大的。

因此，碳纳米结构学结合了碳元素（具有广泛的应用前景）和纳米结构学（能够创造多种功能性材料）的优势。Nanoscale Advances 杂志发表了一期专题文章集，题为《碳纳米结构学在能源、环境和生物领域的先进应用》，这是纳米化学的一种更高级形式。该文集中的论文涵盖了从基础到应用的各种主题，清楚地展示了碳纳米结构学的重大影响。以下是该文集中发表的论文概述。

纳米结构学的使命是创造新型的功能性材料。例如，“纳米结构学”在实现原子级精确度的碳纳米材料方面展现了显著的能力。Alcón等人在他们的综述文章《原子级精确各向异性纳米多孔石墨烯中的量子传输工程进展》（https://doi.org/10.1039/D5NA00532A）中，总结了由二维（2D）石墨烯纳米带阵列构成的特定类型纳米多孔石墨烯的进展。这一独特平台可以用来调节量子电子性质和2D各向异性。这种方法可以用于纳米尺度上的定向应用，甚至达到原子和分子层面。还有研究报道了纳米尺度材料的行为观察。在他们的论文《多壁碳纳米管内外钴纳米棒的电迁移驱动线性驱动器操作（行程可达数十纳米）》（https://doi.org/10.1039/D4NA00766B）中，Matsuyama和Kohno利用电迁移技术将固体钴（Co）纳米棒从多壁碳纳米管中挤出，并通过透射电子显微镜对其行为进行了原位观察。例如，改变电子流动的方向可以使钴纳米棒被吸入宿主纳米管中。

这些出版物还包括一些专注于应用的研究论文。反映了碳材料的适用性，尤其是在能源相关领域的应用尤为突出。Gao等人在他们的综述文章《用于锌-空气电池的多孔碳纳米结构电催化剂：从材料设计到应用》（https://doi.org/10.1039/D4NA00847B）中，详细探讨了使用先进多孔碳材料在锌-空气电池中的氧还原反应。该论文整合了多孔碳材料的最新进展，为开发下一代高性能电池材料提供了重要见解。Sideri等人在他们的论文《噻吩功能化单壁碳纳米管在氧还原反应中的选择性》（https://doi.org/10.1039/D5NA00281H）中，展示了在没有金属的情况下以及在钌（Ru）存在两种不同氧化态的情况下，使用噻吩配体对单壁碳纳米管进行逐步化学修饰的过程。比较分析表明，贵金属在碳纳米材料晶格上的第一配位层对氧还原反应的热力学和动力学起着关键作用。这为设计高效的碳基电催化剂提供了宝贵的见解。Shams等人在他们的论文《用硫代硫酸钠改性的高性能氮化硼/氧化石墨烯复合材料用于储能应用》（https://doi.org/10.1039/D4NA00937A）中，报道了通过液相剥离法（涉及超声处理）制备氮化硼/氧化石墨烯复合材料的方法。这些复合材料表现出优异的电化学性能，非常适合用于储能应用。它们具有高容量、强倍率能力和出色的库仑效率，是下一代储能系统的有希望的候选材料。

在环境问题方面也有进展。甲醛是一种挥发性有机化合物，对环境和人类健康构成严重威胁。Cavallaro等人在他们的论文《用于智能手机甲醛检测的功能化碳纳米颗粒》（https://doi.org/10.1039/D5NA00865D）中，报道了一种基于多巴胺功能化碳纳米颗粒的荧光纳米传感器，可用于检测水相和气相中的甲醛。其灵敏度轻松达到了世界卫生组织（WHO）推荐的安全阈值。与智能手机检测系统的兼容性可能有助于开发便携式、低成本的实时监测设备。Chakroborty等人在他们的综述文章《纳米材料驱动的AI在生物医学应用中的新兴趋势》（https://doi.org/10.1039/D5NA00032G）中，讨论了纳米材料在医学领域的潜在贡献。结合AI和纳米科学的智能健康跟踪系统可能代表着克服各种挑战的新前沿。靶向药物输送、生物传感、成像以及其他诊断和治疗领域都可以从纳米科学中受益。AI可以在这些领域提供帮助。例如，该论文概述了利用AI辅助的临床决策系统提供个性化医疗服务的当前挑战和潜在机会。

这期专题文集中的论文展示了广泛的发展成果。此外，纳米结构学的概念正以多种方式得到应用，超出了这些论文所呈现的内容。例如，应用范围从控制碳骨架到改善氧还原反应的催化功能，¹⁶ 到模仿生命起源的生物系统中的局部组装。¹⁷ 即使是这小部分论文也揭示了多种目标。纳米结构学这一概念可能会对材料化学和纳米科学领域的许多方面产生影响。为了充分发挥其巨大潜力，有人建议将AI技术融入纳米结构学中。¹⁸ 无论如何，对碳材料进行功能化和应用对于满足社会需求至关重要。这个专题文集为此提供了一瞥，并可能预示着材料和纳米科学未来的发展方向。

参考文献