NanoLab每月盤點(diǎn)能源材料化學(xué)及其相關(guān)交叉研究領(lǐng)域發(fā)表在Science和Nature兩大雜志上的最新進(jìn)展。今天是7月集錦，希望對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究人員有所啟發(fā)。
1. 高性能的超厚的有機(jī)發(fā)光二極管丨Nature
有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)有望用于下一代顯示器和照明。然而，特別是在大面積大規(guī)模生產(chǎn)中難以用有機(jī)層均勻地覆蓋大的基底，并且厚度的變化導(dǎo)致在電極之間形成分流路徑，從而降低了器件產(chǎn)量。為了克服這個(gè)問題，較厚的有機(jī)傳輸層是理想的，因?yàn)槠淇梢愿采w基底上的顆粒和殘留物，但是由于有機(jī)物的固有低電荷載流子遷移率，增加厚度會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電壓。有機(jī)層的化學(xué)摻雜增加了它們的導(dǎo)電性并且能夠制造更厚的OLED，但是由電荷轉(zhuǎn)移引起的額外吸收帶出現(xiàn)，由于光吸收而降低了電致發(fā)光效率。已有報(bào)道證明了用有機(jī)單晶制成的厚OLED，但是對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)是不實(shí)用的。因此，需要制造更厚的OLED的替代方法。日本九州大學(xué)Toshinori Matsushima和Chihaya Adachi研究表明，通過使用有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦甲基氯化鉛，CH3NH3PbCl3（MAPbCl3）作為傳輸層，而不是有機(jī)物作為傳輸層，可以制造非常厚的OLED。由于MAPbCl3薄膜具有高載流子遷移率并且對(duì)可見光透明，因此能夠?qū)?/span>MAPbCl3傳輸層的總厚度增加到2,000nm,這是標(biāo)準(zhǔn)OLED厚度的十倍以上。無需高壓或減少內(nèi)部電致發(fā)光量子效率或工作穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)將有助于提高高質(zhì)量OLED的產(chǎn)量，其可用于其他有機(jī)器件，例如激光器，太陽能電池，存儲(chǔ)器件和傳感器。
Toshinori Matsushima, Fatima Bencheikh, Takeshi Komino, Matthew R. Leyden, Atula S. D. Sandanayaka, Chuanjiang Qin & Chihaya Adachi. High performance from extraordinarily thick organic light-emitting diodes, Nature, 2019.DOI：10.1038/s41586-019-1435-5https://www.nature.com/articles/s41586-019-1435-5
2. 不對(duì)稱催化中對(duì)映體選擇性的全面預(yù)測(cè)丨Nature
當(dāng)面對(duì)不熟悉的反應(yīng)時(shí)，合成方面的化學(xué)家通常會(huì)將已經(jīng)報(bào)道的成功反應(yīng)案例中的條件(試劑、催化劑、溶劑和添加劑)應(yīng)用于其所需的與報(bào)道密切相關(guān)的新底物反應(yīng)類型中，然而不幸的是，由于反應(yīng)要求的細(xì)微差別，這種方法往往會(huì)失敗。因此，合成化學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)是能夠?qū)⒒瘜W(xué)發(fā)現(xiàn)從一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)反應(yīng)。有鑒于此，美國猶他大學(xué)Matthew S. Sigman等人提出了一個(gè)整體的、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工作流程，用于推導(dǎo)一組可用于樣本外預(yù)測(cè)反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型。作為一個(gè)驗(yàn)證性的案例研究，作者結(jié)合了已發(fā)表的對(duì)映體選擇性數(shù)據(jù)集，是使用1,1 ' –雙-2-萘酚(BINOL)衍生的手性磷酸，對(duì)亞胺進(jìn)行了一系列親核加成反應(yīng)，進(jìn)而建立的統(tǒng)計(jì)模型。這些模型揭示了傳遞不對(duì)稱誘導(dǎo)的一般相互作用，并允許將這些信息定量傳遞到新的反應(yīng)組分。該技術(shù)為將全面的反應(yīng)分析轉(zhuǎn)化到多種化學(xué)空間、簡化催化劑和反應(yīng)發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。
Jolene P. Reid & Matthew S. Sigman. Holistic prediction of enantioselectivity in asymmetric catalysis. Nature. 2019DOI: 10.1038/s41586-019-1384-zhttps://www.nature.com/articles/s41586-019-1384-z
3. 反應(yīng)選擇性的全面模型丨Nature評(píng)論
美國猶他大學(xué)Matthew S. Sigman等人提出了一個(gè)全面的、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工作流程，用于推導(dǎo)一組可用于樣本外預(yù)測(cè)反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)模型。這些模型揭示了傳遞不對(duì)稱誘導(dǎo)的一般相互作用，并允許將這些信息定量傳遞到新的反應(yīng)組分。瑞典阿斯利康公司的Per-Ola Norrby對(duì)此作出評(píng)論。Matthew S. Sigman等人工作的前身是一種叫做定量結(jié)構(gòu)選擇性關(guān)系(QSSR)的計(jì)算方法。QSSR模型通常局限于狹窄的底物和催化劑范圍，Matthew S. Sigman等人接受了這一挑戰(zhàn)，致力于制作一個(gè)通用的QSSR模型。他們建立了一個(gè)模型，可以預(yù)測(cè)一組催化反應(yīng)的對(duì)映選擇性的大小，但只預(yù)測(cè)催化劑其中的一個(gè)對(duì)映體。在這個(gè)模式下，作者證明了模型反應(yīng)的組分可以變化到前所未有的程度，而不影響預(yù)測(cè)的高精度。一個(gè)模型如何能夠?qū)崿F(xiàn)如此廣泛的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)呢? 部分原因可能是所有的反應(yīng)都有一個(gè)相似的機(jī)理: 底物(亞胺分子)從一側(cè)被手性催化劑“抓住”，因此任何反應(yīng)都必須發(fā)生在另一側(cè)。因此，第三反應(yīng)組分(親核試劑)在模型中會(huì)發(fā)生很大的變化。但最主要原因是，作者付出了巨大的努力來生成一個(gè)包含367個(gè)反應(yīng)體系的全面的訓(xùn)練集，每個(gè)反應(yīng)體系都需要多次計(jì)算來描述所有的組成部分。令人欣喜的是，通過使用這一訓(xùn)練集，可以建立全面的反應(yīng)模型。Matthew S. Sigman等人已經(jīng)證明，他們能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)相關(guān)一組反應(yīng)的結(jié)果，而不是一次只能模擬一種反應(yīng)。就Per-Ola Norrby個(gè)人而言，他期待著在未來，合成化學(xué)中枯燥的試驗(yàn)和錯(cuò)誤將被消除，化學(xué)家們可以開門見山，只進(jìn)行成功的反應(yīng)。Per-Ola Norrby. Holistic models of reaction selectivity. Nature. 2019DOI: 10.1038/d41586-019-02148-9https://www.nature.com/articles/d41586-019-02148-9在硅中原子形成的電子自旋量子比特具有很大的軌道能量（數(shù)十毫電子伏）和較弱的自旋-軌道耦合，因而產(chǎn)生了相干時(shí)間單位以秒計(jì)的孤立電子自旋基態(tài)。這種高保真度的量子比特相干控制有望為量子計(jì)算提供一種全新的平臺(tái)。然而，在原子基量子比特中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路所必需的量子比特間的耦合尚未實(shí)現(xiàn)。電子自旋之間的交換相互作用預(yù)示著用兩個(gè)量子比特門進(jìn)行快速（千兆赫茲）的門操作，這在最近門定義的硅量子點(diǎn)得到了證明。然而，在兩個(gè)與磷原子量子位元結(jié)合的電子之間產(chǎn)生可調(diào)諧的交換作用直到現(xiàn)在都難以實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)楹茈y確定開啟和關(guān)閉交換交互所需的原子距離，同時(shí)校準(zhǔn)原子電路以獲得高保真、獨(dú)立的自旋讀數(shù)。在本文中，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的M. Y. Simmons等發(fā)現(xiàn)在硅中磷供體電子自旋量子比特之間存在著快速的交換門相互作用，在完整的基態(tài)上其保真度高達(dá)94%。這種在原子尺度上對(duì)量子比特的放置進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的策略，為基于硅中供體量子比特的多量子比特量子電路的實(shí)現(xiàn)和有效表征提供了一條途徑。Y. He, M. Y. Simmons et al, A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon, Nature, 2019DOI：10.1038/s41586-019-1381-2https://www.nature.com/articles/s41586-019-1381-25. 并四苯中的單線態(tài)激子裂變?cè)黾庸璧拿艋?/span>丨Nature硅主導(dǎo)了當(dāng)代太陽能電池技術(shù)。但是當(dāng)吸收光子時(shí)，硅（像其他半導(dǎo)體一樣）會(huì)浪費(fèi)超過其帶隙的能量。通過使用單線態(tài)激子裂變使硅太陽能電池敏化，可以減少這些熱化損失并實(shí)現(xiàn)對(duì)光的更好的靈敏度，其中從具有單線自旋特性的更高能量的光激發(fā)態(tài)產(chǎn)生具有三重自旋特性（三重態(tài)激子）的兩個(gè)激發(fā)態(tài)（單線激子）。已知分子半導(dǎo)體并四苯中的單線態(tài)激子裂變產(chǎn)生三能級(jí)激子，其在能帶上與硅帶隙相匹配。當(dāng)三重態(tài)激子轉(zhuǎn)移到硅時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生額外的電子-空穴對(duì)，有望將電池效率從單結(jié)限制提高29％到高達(dá)35％。麻省理工學(xué)院Marc A. Baldo團(tuán)隊(duì)將硅太陽能電池表面的氧化鉿保護(hù)層的厚度減小到僅僅8埃，使用電場效應(yīng)鈍化來實(shí)現(xiàn)在并四苯中形成的三重態(tài)激子的有效能量轉(zhuǎn)移。并四苯的裂變和向硅轉(zhuǎn)移的能量的最大總產(chǎn)率約為133％，這確定了單線態(tài)激子裂變的潛力，以提高硅太陽能電池的效率并降低它們產(chǎn)生的能量成本。Einzinger, M. et al. Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene. Nature 571, 90-94, 2019Doi:10.1038/s41586-019-1339-4 (2019).https://www.nature.com/articles/s41586-019-1339-46. 離子液體添加劑助力長期穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池丨Nature基于金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池是最有前景的光伏技術(shù)之一。在過去幾年中，通過調(diào)整鈣鈦礦的組成，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)內(nèi)的界面，以及使用新的封裝技術(shù), 這些器件的長期運(yùn)行穩(wěn)定性得到了極大的改善。但是，器件穩(wěn)定性方面仍然需要改進(jìn)。鈣鈦礦活性層中的離子遷移 -特別是在光照和熱量下 - 可以說是最難緩解的方面。近日，牛津大學(xué)Sai Bai、Feng Gao以及Henry J. Snaith將離子液體納入鈣鈦礦薄膜，提高了器件效率，顯著提高了器件的長期穩(wěn)定性。在70至75攝氏度的連續(xù)模擬全光譜太陽光下，最穩(wěn)定的封裝器件性能僅下降約5％，超過1,800小時(shí)，并估計(jì)器件下降所需的時(shí)間其峰值性能的百分之八十是約5200小時(shí)。長期運(yùn)行穩(wěn)定的太陽能電池是實(shí)現(xiàn)可靠的鈣鈦礦光伏技術(shù)的關(guān)鍵一步。Bai, S. Gao, F. Snaith, H. J. et al. Planar perovskite solar cells with long-term stability using ionic liquid additives. Nature 2019.DOI:10.1038/s41586-019-1357-2https://www.nature.com/articles/s41586-019-1357-27. 三層石墨烯/hBN范德華異質(zhì)結(jié)的超導(dǎo)性能調(diào)控丨Nature
三層石墨烯（ABC-TLG）/hBN異質(zhì)結(jié)為三角形Hubbard模型的系統(tǒng)研究提供了理想的平臺(tái)：理論計(jì)算表明，該異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)的三角形超晶格中表現(xiàn)出一個(gè)近乎平整的獨(dú)立的微帶，通過垂直電場的變化，可以調(diào)整微帶的帶寬。相比之下，魔角扭曲雙層石墨烯的則表現(xiàn)出兩個(gè)平坦的微帶，并且總在單粒子帶結(jié)構(gòu)中相交。
有鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校Feng Wang、南京大學(xué)Yuanbo Zhang、斯坦福大學(xué)David Goldhaber-Gordon等團(tuán)隊(duì)報(bào)道了在1/4填充Mott狀態(tài)，三層石墨烯（ABC-TLG）/hBN異質(zhì)結(jié)中超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的調(diào)控變化特征。1）在相對(duì)于1/4填充莫特態(tài)進(jìn)行電子和空穴摻雜時(shí)，研究人員觀察到兩個(gè)明顯的超導(dǎo)圓頂。2）作者還發(fā)現(xiàn)，通過控制垂直電場，ABC-TLG / hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的超導(dǎo)、絕緣和金屬態(tài)之間很容易發(fā)生轉(zhuǎn)變。GuoruiChen et al. Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphenemoiré superlattice. Nature 2019.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1393-y8. 二維材料范德華異質(zhì)結(jié)中靜電門控效應(yīng)的可視化表征研究丨Nature在場效應(yīng)晶體管中，對(duì)電子狀態(tài)（譬如局部電勢(shì)變化、費(fèi)米能級(jí)、能帶結(jié)構(gòu)等）的直接觀測(cè)可以加深我們對(duì)物理的深入理解，從而有助于我們對(duì)設(shè)備的功能進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。有鑒于此，華盛頓大學(xué)Xiaodong Xu、David H. Cobden和華威大學(xué)Neil R. Wilson等團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種微尺度的角分辨光電子能譜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二維范德華異質(zhì)結(jié)器件中的電子狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。值得一提的是，檢測(cè)可以在單個(gè)器件上進(jìn)行，從而對(duì)柵極控制的電子和光學(xué)特性之間的關(guān)系可以進(jìn)行深入和精確的研究。作者發(fā)現(xiàn)，在雙端石墨烯器件中施加?xùn)艠O電壓時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，跨越狄拉克點(diǎn)，且色散幾乎不發(fā)生變化。在二維半導(dǎo)體器件中，導(dǎo)帶邊緣則不斷地進(jìn)行著電子積累，邊緣的能量和動(dòng)量不斷聚集。在單層WSe2中，隨著靜電摻雜的增加，帶隙降到幾百個(gè)meV，接近激子能量。PaulV. Nguyen et al. Visualizing electrostatic gating effects in two-dimensionalheterostructures. Nature 2019.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1402-19. 研究新進(jìn)展！應(yīng)變黑相CsPbI3薄膜的熱不平衡丨Science在室溫下，高溫全無機(jī)CsPbI3鈣鈦礦黑相相對(duì)于其黃色非鈣鈦礦相是亞穩(wěn)態(tài)的。 由于只有黑相是光學(xué)活性的，這意味著在光電器件中使用CsPbI3是有障礙的。近日，魯汶大學(xué)Julian A. Steele、Johan Hofkens研究團(tuán)隊(duì)使用襯底夾緊和雙軸應(yīng)變實(shí)現(xiàn)室溫下穩(wěn)定的黑相CsPbI3薄膜。 研究人員基于同步加速器的掠入射廣角X射線散射來跟蹤在330℃退火后冷卻時(shí)黑色CsPbI3薄膜內(nèi)晶體畸變和應(yīng)變驅(qū)動(dòng)紋理形成的引入。應(yīng)變界面大大提高了黑色CsPbI3薄膜的熱穩(wěn)定性，并通過熱力學(xué)從頭算模型驗(yàn)證了這一響應(yīng)。Steele, J. A. THofkens, J. et al. Thermal unequilibrium of strained black CsPbI3 thin films. Science 2019.DOI:10.1126/science.aax3878https://science.sciencemag.org/content/sci/early/2019/07/24/science.aax387810. 有機(jī)半導(dǎo)體光催化劑可使芳烴和雜環(huán)化合物發(fā)生雙官能化丨Science半導(dǎo)體表面的光激發(fā)電子空穴對(duì)可以與兩種不同的基底發(fā)生氧化還原反應(yīng)。與傳統(tǒng)的電合成方法類似，初級(jí)的氧化還原中間體只能獲得單獨(dú)的氧化還原產(chǎn)物，或者更少見的是，二者結(jié)合成一個(gè)加成產(chǎn)物。有鑒于此, 德國雷根斯堡大學(xué)Burkhard K?nig以及德國馬普膠體與界面研究所Markus Antonietti等人報(bào)道了一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)半導(dǎo)體材料-介孔石墨碳氮化(mpg-CN),可以作為可見光光氧化還原反應(yīng)的催化劑，在2-3組分體系中可以協(xié)調(diào)氧化和還原界面的電子轉(zhuǎn)移到兩個(gè)不同的基底，實(shí)現(xiàn)芳烴和雜環(huán)化合物雙重的碳?xì)涔δ芑Ｔ搈pg-CN催化劑具有優(yōu)異的耐自由基和強(qiáng)親核試劑性能，通過簡單的離心反應(yīng)混合物即可直接回收，并可重復(fù)使用至少四次催化轉(zhuǎn)化，催化活性保持不變。Indrajit Ghosh, Jagadish Khamrai, Aleksandr Savateev, Nikita Shlapakov, Markus Antonietti*, Burkhard K?nig*. Organic semiconductor photocatalyst can bifunctionalize arenes and heteroarenes. Science. 2019DOI：10.1126/science.aaw3254https://science.sciencemag.org/content/365/6451/36011. 一種耐用的半導(dǎo)體光催化劑丨Science評(píng)論近日，Ghosh等人發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體介孔石墨碳氮化(mpg-CN)是一個(gè)理想的光催化劑，在一些具有破壞性的自由基中間體存在下能夠穩(wěn)定存在。其半導(dǎo)體特性給與其獨(dú)特的反應(yīng)活性，實(shí)現(xiàn)芳烴和雜環(huán)化合物雙重的碳?xì)涔δ芑以摲蔷喙獯呋瘎┦强苫厥盏模⒖芍貜?fù)使用至少四次，催化活性幾乎保持不變。美國AbbVie公司Elizabeth Swift對(duì)此做出評(píng)論。
Ghosh等人通過在硅載體上高溫聚合氰胺制備出mpg-CN。通過溶解除去二氧化硅載體后，得到的黃色純有機(jī)共軛材料在藍(lán)光下具有光導(dǎo)性。如Ghosh等人所證明的，mpg-CN的許多性質(zhì)一致促進(jìn)了其綜合效用。1）mpg-CN一經(jīng)制備，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。最值得注意的是，mpg-CN在催化芳烴中加入硫、氧、碳和氮基自由基的同時(shí)，未出現(xiàn)催化劑分解的情況。相比之下，許多均相催化劑，無論是金屬基催化劑還是有機(jī)催化劑，本身都會(huì)經(jīng)歷官能化反應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，其催化活性會(huì)降低。2）利用半導(dǎo)體作為光催化劑提供了一個(gè)獲得獨(dú)特反應(yīng)模式的機(jī)會(huì)。均相金屬基催化劑，如Ru(bpy)3Cl2，能吸收光并通過激發(fā)將電子從金屬轉(zhuǎn)移到配體。這種電荷分離的高能中間體可以通過氧化或還原的方式被淬滅。半導(dǎo)體催化劑也通過電荷分離作用，在半導(dǎo)體表面形成電子-空穴對(duì)。表面的空間分離意味著兩個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)可以同時(shí)進(jìn)行單電子氧化還原反應(yīng)。Ghosh等人在此基礎(chǔ)上，展示了前所未有的利用這種反應(yīng)模式進(jìn)行的雙碳?xì)滏I功能化反應(yīng)。Ghosh等人證明，mpg-CN可以催化20多個(gè)不同官能團(tuán)的芳烴和雜環(huán)化合物的功能化。3）許多光催化劑要么是強(qiáng)氧化催化劑，要么是強(qiáng)還原催化劑，這就要求光催化劑與所需的轉(zhuǎn)化相匹配。Ghosh等人在雙C-H官能化反應(yīng)中，利用mpg-CN高效地同時(shí)催化氧化還原反應(yīng)。在芳烴存在的條件下，還原性物質(zhì)和氧化性物質(zhì)的組合，可以在單一催化劑和光的作用下說生成高度功能化的產(chǎn)物。該方法可用于復(fù)雜分子的后期功能化，探索結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系或縮短合成步驟。
4）從可持續(xù)化學(xué)的角度來看，mpg-CN是一種非均相固體催化劑，反應(yīng)完成后容易從反應(yīng)介質(zhì)中分離出來，簡化了反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物的分離。Ghosh等人也表明，該催化劑可以多次使用，活性損失不大。該催化劑不含金屬，而且起始材料便宜且容易獲得，這一點(diǎn)使得實(shí)現(xiàn)可持續(xù)并且成本效益高的商業(yè)化成為可能。雖然mpg-CN的長期影響仍有待確定，但它可能成為推進(jìn)有機(jī)光氧化還原催化領(lǐng)域催化劑的范例。
Elizabeth Swift. A durable semiconductor photocatalyst. Science. 2019DOI: 10.1126/science.aax8940https://science.sciencemag.org/content/365/6451/320
12. 分子電催化劑可以在液流電池中快速、選擇性的進(jìn)行CO2還原丨Science
二氧化碳(CO2) 的電化學(xué)轉(zhuǎn)化需要一種高效催化劑，能夠在高電流密度下具有高選擇性，有效地調(diào)節(jié)單一產(chǎn)物的生成。固態(tài)電催化劑在電流密度≥150 mA/cm2時(shí)可以實(shí)現(xiàn)CO2還原反應(yīng)(CO2RR)，但在高電流密度和效率下保持高選擇性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。分子CO2RR催化劑可以設(shè)計(jì)成具有高選擇性和低過電位的催化劑，但不能在商業(yè)應(yīng)用所需的電流密度下使用。有鑒于此，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的Curtis P. Berlinguette和法國巴黎大學(xué)的Marc Robert等人在液流電池的電流密度為150 mA/cm2的條件下，以酞菁鈷作為分子催化劑，催化CO2還原為CO的選擇性高于95%。分子催化劑在該操作條件下能夠高效工作的這一發(fā)現(xiàn)，為優(yōu)化CO2RR催化劑和電解槽提供了一種獨(dú)特的方法。Shaoxuan Ren, Dorian Joulié, Danielle Salvatore, Kristian Torbensen, Min Wang, Marc Robert, Curtis P. Berlinguette. Molecular electrocatalysts can mediate fast, selective CO2 reduction in a flow cell. Science. 2019DOI: 10.1126/science.aax4608https://science.sciencemag.org/content/365/6451/36713. 形狀記憶納米復(fù)合纖維用于無束縛的高能微型發(fā)動(dòng)機(jī)丨Science經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，但存在設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以小型化的問題。長期以來，制造具有大沖程、高速、高能量、簡單、堅(jiān)固的微型發(fā)動(dòng)機(jī)一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。法國波爾多大學(xué)Jinkai Yuan、Philippe Poulin等人最新的研究結(jié)果表明，形狀記憶納米復(fù)合纖維在發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)能量，從而提供快速、高能量的旋轉(zhuǎn)。扭曲形狀記憶納米復(fù)合纖維結(jié)合了高扭矩和大角度旋轉(zhuǎn)，提供的重量工作能力是自然骨骼肌的60倍。觸發(fā)光纖旋轉(zhuǎn)的溫度是可以調(diào)節(jié)的，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這種溫度記憶效應(yīng)提供了一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，它使得操作溫度可調(diào)以及存儲(chǔ)能量可以逐步釋放。Jinkai Yuan,*, Wilfrid Neri, Cécile Zakri, Pascal Merzeau, Karl Kratz, Andreas Lendlein, Philippe Poulin. Shape memory nanocomposite fibers for untethered high-energy microengines. Science. 2019DOI: 10.1126/science.aaw3722https://science.sciencemag.org/content/365/6449/15514. 利用C-H氫鍵超分子籠捕獲氯離子丨Science緊密結(jié)合和高選擇性是生物分子識(shí)別的標(biāo)志。通過合成受體實(shí)現(xiàn)這些行為通常是與O-H鍵和N-H鍵有關(guān)的。與這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反，美國印第安納大學(xué)的A. H. Flood、Yun Liu等人設(shè)計(jì)了一種氯離子選擇性受體，利用C-H鍵設(shè)計(jì)一個(gè)超分子籠。晶體學(xué)研究顯示氯離子被籠中1,2,3-三唑形成的氫鍵所穩(wěn)定。采用液-液萃取法，將氯離子從水中萃取到非極性二氯甲烷溶劑中，其親和能力達(dá)到了1017 M-1。對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了三唑在固定三維結(jié)構(gòu)，以及影響識(shí)別親和力和選擇性方面的作用，對(duì)不同陰離子的選擇順序是：Cl - > Br - > NO3 - > I -。Yun Liu*, Wei Zhao, Chun-Hsing Chen, Amar H. Flood. Chloride capture using a C–H hydrogen-bonding cage. Science. 2019DOI：10.1126/science.aaw5145https://science.sciencemag.org/content/365/6449/159
15. 液態(tài)磁鐵新發(fā)現(xiàn)，未來空間大無窮！丨Science
一般液態(tài)磁性材料，如傳統(tǒng)鐵磁流體，雖具有靈活形態(tài)但本身不存在磁極，只有在外加磁場作用下被持續(xù)磁化才能表現(xiàn)出特定磁性。有鑒于此，北京化工大學(xué)軟物質(zhì)高精尖中心博士生劉緒博、馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校的Thomas Russell教授等人報(bào)道了一種新型磁性液體，這種可重構(gòu)的鐵磁性液滴也被稱為液態(tài)磁鐵。通過控制磁性納米粒子在水油界面的自組裝，研究人員成功引導(dǎo)鐵磁流體從順磁性轉(zhuǎn)變成鐵磁性。作者將水基磁流體材料與有機(jī)相混合，分散于水相中的羧基化四氧化三鐵磁性納米粒子（Fe3O4-COOH NPs）與溶解于相鄰油相中的氨基化籠形倍半硅氧烷（POSS-NH2）在水油界面相互作用，原位自組裝形成磁性納米粒子表面活性劑，吸附到界面處并實(shí)現(xiàn)阻塞相變，形成磁流體液滴。室溫下測(cè)量該液滴磁滯回線發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)順磁性磁流體，這種液滴表現(xiàn)出一定強(qiáng)度的剩磁和矯頑力，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性。結(jié)合最新的全液相3D打印和微流控成型技術(shù)，研究人員可在全液態(tài)條件下，制造任意形貌的磁性液態(tài)器件。此外，已成型的液體還可以通過改變液體內(nèi)酸堿環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可逆磁化或消磁。Xubo Liu, Thomas P. Russell et al. Reconfigurableferromagnetic liquid droplets. Science 2019, 365, 264-267.DOI: 10.1126/science.aaw8719https://science.sciencemag.org/content/365/6450/264
