量子點Nature，石墨烯Nature、崔屹、潘峰、李雋、Amine等成果速遞丨頂刊日報20191023
1. Nature: 一個強耦合到光學(xué)微腔的門控量子點
腔量子電動力學(xué)（腔QED）的強耦合機制代表了全量子水平的光-物質(zhì)相互作用。添加單個光子會改變共振頻率，從而產(chǎn)生深遠的非線性。腔QED是量子光學(xué)的測試平臺，是光子-光子和原子-原子糾纏門的基礎(chǔ)。在微波頻率下，腔體QED的成功具有變革性的效果。在光頻率下，門可能更快。光子可以傳播很長的距離，并且很容易被檢測到。在單原子上的開創(chuàng)性工作之后，出現(xiàn)了使用半導(dǎo)體量子點的固態(tài)實現(xiàn)方法。巴塞爾大學(xué)Daniel Najer研究團隊介紹一種門控，超低損耗，頻率可調(diào)的微腔設(shè)備。柵極允許量子點電荷及其共振頻率被電控制。至關(guān)重要的是，它們可以消除腔內(nèi)進料。即使在微腔中，量子點的線寬也接近輻射極限。除了在光譜中非常明顯的避免交叉之外，研究人員還觀察到了時域中“原子”與腔之間的單個能量量子的清晰連貫交換（真空拉比振蕩）。退相干主要通過原子和光子損失通道產(chǎn)生。通過光子統(tǒng)計光譜技術(shù)，利用相干性來探測單激發(fā)和雙激發(fā)光子-原子系統(tǒng)之間的躍遷。
Najer, D. et al. A gated quantum dot stronglycoupled to an optical microcavity. Nature 2019.DOI: 10.1038/s41586-019-1709-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-019-1709-y2. Nature: 石墨烯中量子霍爾態(tài)的成像工作和耗散
拓撲學(xué)是一個有力的最新概念，它聲稱可以對量子態(tài)進行全局保護，以防止局部擾動。因此，無耗散的拓撲保護狀態(tài)在計量學(xué)和量子信息技術(shù)中具有重大的基本意義和實際重要性。盡管拓撲保護在理論上是可靠的，但在實際的設(shè)備中，拓撲保護通常易受各種耗散機制的影響，這些耗散機制由于其微觀起源而難以直接進行探測。曼徹斯特大學(xué)D. J. Perello聯(lián)合魏茨曼科學(xué)研究所E. Zeldov通過使用掃描納米溫度計，可視化并研究了破壞石墨烯中量子霍爾態(tài)中無耗散傳輸?shù)奈⒂^機制。同時進行的納米級熱學(xué)和掃描門顯微術(shù)表明，耗散受石墨烯邊界處由于邊緣重建而出現(xiàn)的反向傳播的下游和上游通道對之間的串擾的影響。但是，代替局部焦耳加熱，耗散機制包括兩個截然不同且在空間上分開的過程。直接成像的工作產(chǎn)生過程涉及量子通道之間電荷載流子的彈性隧穿，它決定了傳輸性質(zhì)，但不會產(chǎn)生局部熱量。相比之下，獨立可視化的熱量和熵產(chǎn)生過程在石墨烯邊緣的單個原子缺陷發(fā)生非彈性共振散射時非局部發(fā)生，而不會影響傳輸。該發(fā)現(xiàn)為隱藏真正拓撲保護的機制提供了至關(guān)重要的見解。
Perello, D. J. Zeldov, E. et al. Imaging work and dissipationin the quantum Hall state in graphene. Nature 2019.DOI: 10.1038/s41586-019-1704-3https://www.nature.com/articles/s41586-019-1704-33. Nat. Chem.：簡便方法制備的金單原子催化劑，100%選擇性催化甲醇自偶聯(lián)成甲酸甲酯
為了獲得最大的原子效率，近年來單原子催化劑成為了熱門研究。將有機金屬均相催化劑錨定在表面上會產(chǎn)生聚集和活性降低的問題，而開發(fā)用于在氧化物載體上制備原子分散的貴金屬的技術(shù)通常很復(fù)雜。近日，塔夫茨大學(xué)MariaFlytzani-Stephanopoulos，威斯康辛大學(xué)Manos Mavrikakis等報道了一種簡便的在堿溶液中合成單原子金催化劑一鍋合成方法，將Au(OH)3和NaOH粉末在H2O中混合，再通過浸漬方法即可得到載體負載的穩(wěn)定的單原子金團簇催化劑。實驗發(fā)現(xiàn)，合成的[Au1-Ox]-團簇催化劑可高效催化兩個甲醇分子脫氫異相偶聯(lián)成甲酸甲酯，在低于180℃時具有100％的選擇性。該反應(yīng)在工業(yè)上很重要，也是在金催化劑上進行甲醇蒸汽重整的關(guān)鍵步驟。
SufengCao, Ming Yang, Manos Mavrikakis*, Maria Flytzani-Stephanopoulos*, et al.Single-atom gold oxo-clusters prepared in alkaline solutions catalyse theheterogeneous methanol self-coupling reactions. Nat. Chem., 2019DOI: 10.1038/s41557-019-0345-3https://www.nature.com/articles/s41557-019-0345-34. Nat. Chem.: 光譜電化學(xué)和理論計算揭示赤鐵礦光陽極的多孔水催化氧化過程
水氧化是光電合成燃料合成裝置的關(guān)鍵動力學(xué)瓶頸。盡管近年來在水氧化的中間體的確認方面取得了很多進展，但是闡明這種多氧化還原反應(yīng)在金屬氧化物光陽極上的催化機理不管在理論方面還是實驗方面都面臨著重要挑戰(zhàn)。在本文中，來自耶魯大學(xué)的Victor S. Batista和帝國理工學(xué)院的James R. Durrant報道了四個廣受研究的金屬氧化物的水氧化動力學(xué)的實驗分析。他們發(fā)現(xiàn)在赤鐵礦光陽極的水催化氧化過程中，赤鐵礦能夠參與表面孔密度為三級的反應(yīng)機制，該反應(yīng)機制包括三個表面孔和M(OH)-O-M(OH)活性位點之間的平衡。該反應(yīng)具有較低的反應(yīng)活化能（Ea≈60 meV）。他們利用密度泛函理論研究了模型赤鐵礦（110）晶面電荷積累和O-O鍵形成的能量變化。他們根據(jù)以上光譜電化學(xué)結(jié)果與理論計算所提出的催化反應(yīng)機理與光系統(tǒng)II的析氧絡(luò)合物的機制能夠互相佐證，并且為金屬氧化物表面上的非均相水氧化機理提供了新的觀點。
CamiloA. Mesa, Victor S. Batista, James R. Durrant et al, Multihole water oxidationcatalysis on haematite photoanodes revealed by operando spectroelectrochemistryand DFT, Nature Chemistry,2019https://www.nature.com/articles/s41557-019-0347-15. Nat. Mater.：弗林蛋白酶介導(dǎo)的奧沙拉嗪胞內(nèi)自組裝用于增強腫瘤診療
通過合理的設(shè)計使得探針或藥物在和腫瘤特異性酶反應(yīng)后不被泵出細胞，是目前增強造影劑或抗癌藥物在腫瘤內(nèi)的保留效果的策略之一。有鑒于此，約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Jeff W. M.Bulte團隊將抗癌藥物奧沙拉嗪 (Olsa)與細胞穿透肽RVRR相結(jié)合得到Olsa-RVRR，隨后利用一種在生物學(xué)上很容易發(fā)生的縮合反應(yīng)，使得單個Olsa-RVRR分子可以在與腫瘤相關(guān)的弗林蛋白酶的介導(dǎo)下在細胞內(nèi)自組裝成大的納米顆粒。由于Olsa具有可交換的羥基質(zhì)子，因此Olsa-RVRR和Olsa納米顆粒均可以實現(xiàn)化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（CEST）磁共振成像（MRI）。實驗使用HCT116和LoVo異種移植腫瘤小鼠模型進行體內(nèi)研究，結(jié)果表明與沒有RVRR的傳統(tǒng)Olsa相比，結(jié)合有RVRR的Olsa在自組裝后的CEST信號和抗腫瘤治療效果分別增強了6.5倍和5.2倍，并且其成像信號和治療響應(yīng)（即歸一化的腫瘤尺寸）之間也有著極好的線性相關(guān) (R2 =0.97)。綜上所述，這一研究所開發(fā)的以弗林蛋白酶為靶點的磁共振成像平臺具有對腫瘤的侵襲、藥物的積累和治療的響應(yīng)進行有效評估的良好應(yīng)用潛力。
YueYuan, Jeff W. M. Bulte. et al. Furin-mediated intracellular self-assembly ofolsalazine nanoparticles for enhanced magnetic resonance imaging and tumourtherapy. Nature Materials. 2019https://www.nature.com/articles/s41563-019-0503-46. Nat. Mater.：Fe3O4結(jié)晶過程的研究
長期以來，人們一直認為晶體的成核是通過離子，原子或分子的隨機締合形成臨界核而形成的，隨后將長成晶體。僅在過去的十年中，人們才意識到結(jié)晶也可以通過組裝不同類型的構(gòu)件而繼續(xù)進行，這些構(gòu)件包括無定形前體，初級粒子，預(yù)成核物質(zhì)，致密液滴或納米晶體。但是，控制這些途徑的力量仍然知之甚少。近日，埃因霍溫科技大學(xué)Nico A. J. M.Sommerdijk等研究了通過初級粒子的形成和聚集來結(jié)晶的磁鐵礦（Fe3O4），并發(fā)現(xiàn)該過程的熱力學(xué)和動力學(xué)都可以用膠體組裝來描述。該模型可以預(yù)測給定初始Fe濃度下的平均晶體尺寸，從而為具有預(yù)定尺寸和特性的晶體設(shè)計開辟了道路。
GiuliaMirabello, Alessandro Ianiro, Nico A. J. M. Sommerdijk*, et al.Crystallization by particle attachment is a colloidal assembly process. Nat.Mater., 2019DOI: 10.1038/s41563-019-0511-4https://www.nature.com/articles/s41563-019-0511-47. Nat. Mater.：通過分子Co催化劑和鈣鈦礦BiVO4串聯(lián)電極實現(xiàn)無偏壓的太陽能合成氣生產(chǎn)
從水和二氧化碳中提取合成氣的光電化學(xué)(PEC)技術(shù)是實現(xiàn)循環(huán)碳經(jīng)濟的一個非常具有潛力的技術(shù)。然而，高過電位、低選擇性和催化劑使用帶來的高成本等問題極大限制這一可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換過程的發(fā)展。近日，劍橋大學(xué)的Erwin Reisner教授課題組通過將固定在碳納米管上的鈷卟啉催化劑與三陽離子混合鹵代鈣鈦礦和BiVO4光吸收劑集成，實現(xiàn)了可控的PEC合成氣生產(chǎn)。分析在低催化劑負載下的最佳電極選擇性發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦光電陰極在低至0.1 sun的光照強度下，在一天內(nèi)可以保持選擇性CO2還原，這為在低太陽輻照度下最大化利用太陽光提供了一條新的途徑。在1 sun的光照強度下，鈣鈦礦-BiVO4串聯(lián)電極可以連續(xù)三天保持無偏壓生產(chǎn)合成氣。該裝置的太陽能-H2和太陽能-CO轉(zhuǎn)換效率分別為0.06%和0.02%，并且可以作為獨立的人工樹葉在中性pH溶液中使用。該工作為高選擇性、低成本的光電化學(xué)合成氣的生產(chǎn)提供了一種新的思路。
VirgilAndrei, Bertrand Reuillard, Erwin Reisner. Bias-free solar syngas production byintegrating a molecular cobalt catalyst with perovskite–BiVO4 tandems. Nature Materials, 2019.DOI: 10.1038/s41563-019-0501-6https://doi.org/10.1038/s41563-019-0501-68. Nat. Rev. Cancer.：腦瘤和腦轉(zhuǎn)移瘤中存在的血腦屏障和血瘤屏障
治療血源性癌癥的試劑要發(fā)揮作用，必須穿過血管壁并克服癌細胞周圍局部微環(huán)境的阻力才能到達更多的癌細胞中。而大腦的微環(huán)境則會嚴重阻礙藥物對原發(fā)性腦腫瘤和腦轉(zhuǎn)移瘤的治療效果。已有研究表明，血腦屏障(BBB)的細胞和分子成分是一種用于維持大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的神經(jīng)血管單元。而腫瘤會破壞血腦屏障的完整性，從而產(chǎn)生一種被稱為血瘤屏障(BTB)血管系統(tǒng)。佐治亞理工學(xué)院Costas D. Arvanitis博士和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Rakesh K. Jain院士合作，對治療腦瘤和腦部轉(zhuǎn)移瘤時存在的血腦屏障和血瘤屏障進行了綜述介紹；對血腦屏障及其對藥物遞送的影響、細胞類型對血腦屏障功能的影響以及血瘤屏障在疾病的發(fā)展和治療中的作用進行了討論；最后重點介紹了用于改善血腦屏障和藥物遞送的一些新型分子、細胞和生理學(xué)策略，并討論了它們對改進免疫檢查點抑制劑和工程化T細胞等傳統(tǒng)和新興治療方法的作用。
CostasD. Arvanitis, Rakesh K. Jain. et al. The blood–brain barrier and blood–tumourbarrier in brain tumours and metastases. Nature Reviews Cancer.2019https://www.nature.com/articles/s41568-019-0205-x9. Nat. Photon.：集成光子量子技術(shù)
量子技術(shù)包括一類新興的設(shè)備，它們能夠控制光或物質(zhì)的量子態(tài)的疊加和糾纏，實現(xiàn)與普通經(jīng)典機器相比的基本性能優(yōu)勢。集成量子光子技術(shù)使光的量子狀態(tài)的生成，處理和檢測能夠以穩(wěn)定增長的規(guī)模和復(fù)雜性水平發(fā)展，從占據(jù)幾厘米規(guī)模的占位面積并在兩個光子上運行的少數(shù)組件電路發(fā)展到接近集成生成的多光子狀態(tài)。近日，布里斯托大學(xué)MarkG. Thompson總結(jié)了集成光子量子技術(shù)的進步及其已證明的應(yīng)用，包括量子通信，量子化學(xué)和物理系統(tǒng)的仿真，采樣算法以及線性光學(xué)量子信息處理。
Thompson, M. G. et al. Integrated photonic quantumtechnologies. Nat. Photon. 2019.DOI:10.1038/s41566-019-0532-1https://www.nature.com/articles/s41566-019-0532-110. Nat. Commun.: 二維無機分子晶體的合成
由零維分子組成的二維分子晶體因其新穎的物理特性而具有非常大的吸引力。但由于難以控制晶相和生長平面，它們主要限于有機分子，因此二維分子晶體的無機形式的合成仍然是一個挑戰(zhàn)。斯坦福大學(xué)崔屹和華中科技大學(xué)翟天佑團隊設(shè)計了一種鈍化劑輔助氣相沉積方法，用于生長薄至單層的二維Sb2O3無機分子晶體。鈍化劑可防止異相成核并抑制低能平面的生長，并使分子沿高能平面逐個分子橫向生長。通過拉曼光譜和原位TEM，表明Sb2O3薄片的絕緣α相可以在熱和電子束輻照下轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體β相。該發(fā)現(xiàn)可以擴展到其他二維無機分子晶體的受控生長，并為潛在的分子電子設(shè)備打開機會。
WeiHan, Pu Huang, Liang Li, Fakun Wang, Peng Luo, Kailang Liu, Xing Zhou, HuiqiaoLi, Xiuwen Zhang, Yi Cui, Tianyou Zhai, Two-dimensional inorganic molecularcrystals, Nature Communications, 2019.DOI:10.1038/s41467-019-12569-9https://www.nature.com/articles/s41467-019-12569-9?utm_source=other_website&utm_medium=display&utm_content=leaderboard&utm_campaign=JRCN_2_LW_X-moldailyfeed11. Nat. Commun.: 尖晶石型中錳溶解與動態(tài)相穩(wěn)定的關(guān)系-鋰電
正極材料的穩(wěn)定性主要歸因于兩個因素：整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面化學(xué)穩(wěn)定性。在當前的商用LIB（鋰/過渡金屬（TM）氧化物或聚陰離子化合物）中，TM離子充當氧化還原中心，促進快速的電子交換并伴隨可逆的結(jié)構(gòu)演化。長期以來一直認為容量衰減的唯一根源是過渡金屬TM的溶解，隨后對負極產(chǎn)生負面影響。然而，其對正極行為的影響仍然知之甚少，且 正極的TM損失很可能導(dǎo)致不可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這些是改善正極循環(huán)性能的重要因素，但目前仍未完全了解。北京大學(xué)深研院潘峰與阿貢國家實驗室陸俊、Khalil Amine團隊報道了LiMn2O4正極的容量衰減與相/表面穩(wěn)定性之間的相關(guān)性，揭示了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和TM溶解的組合主導(dǎo)了正極容量的衰減。LiMn2O4表現(xiàn)出不可逆的相變，這是由錳（III）歧化和Jahn-Teller變形驅(qū)動的，與顆粒裂紋一起導(dǎo)致嚴重的錳溶解。同時，快速的錳溶解反過來又引發(fā)了不可逆的結(jié)構(gòu)演變，因此形成了有害的循環(huán)，不斷消耗活性正極成分。此外，具有鋰/錳無序和表面重構(gòu)的富鋰LiMn2O4可以有效地抑制不可逆的相變和錳的溶解。
TongchaoLiu, Alvin Dai, Jun Lu, Yifei Yuan, Yinguo Xiao, Lei Yu, Matthew Li, JihyeonGim, Lu Ma, Jiajie Liu, Chun Zhan, Luxi Li, Jiaxin Zheng, Yang Ren, Tianpin Wu,Reza Shahbazian-Yassar, Jianguo Wen, Feng Pan & Khalil Amine, Correlationbetween manganese dissolution and dynamic phase stability in spinel-basedlithium-ion battery, Nature Communications, 2019.DOI:10.1038/s41467-019-12626-3https://www.nature.com/articles/s41467-019-12626-3?utm_source=other_website&utm_medium=display&utm_content=leaderboard&utm_campaign=JRCN_2_LW_X-moldailyfeed12. Nat. Commun.: 兩厘米的多孔金屬氮化物單晶提供增強的贗電容
基于化學(xué)吸附的贗電容器包含氧化還原活性位點，該活性位主要由在電極表面晶格中具有不飽和配位的過渡金屬離子組成。電容通常由多孔微結(jié)構(gòu)、電子傳導(dǎo)和多孔電極中的活性位點的協(xié)同作用決定。中科院福建物構(gòu)所謝奎課題組通過將扭曲表面上不飽和配位的長程有序排列的活性位點，金屬態(tài)的高電導(dǎo)率以及多孔微結(jié)構(gòu)的大表面積相結(jié)合，以2 cm尺度的規(guī)模生長金屬多孔過渡金屬氮化物單晶，以增強贗電容。其中，活性金屬氮位點的遠距離排序說明化學(xué)吸附中的快速氧化還原反應(yīng)，而高電導(dǎo)率和多孔微結(jié)構(gòu)則促進了電荷在電極中的轉(zhuǎn)移和物質(zhì)擴散。最后，多孔MoN、Ta5N6和TiN單晶在酸性和堿性電解質(zhì)中，均展示出增強的重量和面積贗電容以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性。
ShaoboXi, Guoming Lin, Lu Jin, Hao Li, Kui Xie, Metallic porous nitride singlecrystals at two-centimeter scale delivering enhanced pseudocapacitance, NatureCommunications, 2019.DOI:/10.1038/s41467-019-12818-xhttps://www.nature.com/articles/s41467-019-12818-x?utm_source=other_website&utm_medium=display&utm_content=leaderboard&utm_campaign=JRCN_2_LW_X-moldailyfeed13. Nat. Commun.：含F(xiàn)e和B四重鍵的BFe(CO)3-配合物
雖然主族元素具有四個可用于成鍵的化合價軌道，但是四重鍵合的主族元素卻極為罕見。近日，清華大學(xué)李雋，胡憾石，復(fù)旦大學(xué)周鳴飛等研究發(fā)現(xiàn)，主族元素B能夠與BFe(CO)3-陰離子配合物中的Fe形成四重鍵合相互作用，并通過量子化學(xué)進行了研究和氣相中的質(zhì)量選擇紅外光解離光譜法進行了鑒定。配絡(luò)合物的具有C3v對稱性，其B-Fe鍵距離比三鍵預(yù)期的要短得多。各種化學(xué)鍵合分析表明，該配合物具有前所未有的B?Fe四重鍵合相互作用。除了常見的一個電子共享σ鍵和兩個Fe→B π鍵外，還有一個額外的弱B→Fe σ鍵相互作用。
ChaoxianChi, Jia-Qi Wang, Han-Shi Hu, Mingfei Zhou, Jun Li*, et al. Quadruplebonding between iron and boron in the BFe(CO)3? complex. Nat.Commun., 2019DOI: 10.1038/s41467-019-12767-5https://www.nature.com/articles/s41467-019-12767-514. Nat. Commun.：太陽能大幅提高析氧反應(yīng)動力學(xué)降低鋅空氣電池充電電壓
直接收集太陽能進行電池充電是實現(xiàn)低成本、綠色、高效和可持續(xù)的電化學(xué)儲能的最終解決方案。近日，天津大學(xué)的胡文彬教授和鐘澄教授課題組設(shè)計了一種陽光促進策略，使可充電鋅空氣電池在低于理論電池電壓的情況下充電電勢大大降低，該光促進鋅空氣電池使用BiVO4或α-Fe2O3空氣光電極，初始充電電位約1.20 ~ 1.43 V，相比傳統(tǒng)鋅空氣電池降低了約0.5 ~ 0.8 V的充電電勢。研究發(fā)現(xiàn)，光電極的能帶結(jié)構(gòu)和光電化學(xué)穩(wěn)定性是決定陽光促進鋅空氣電池充電性能的關(guān)鍵因素。光電極作為空氣電極的引入，為開發(fā)能夠有效利用太陽能同時克服傳統(tǒng)鋅空氣電池高充電過電位的問題提供了一條重要的途徑。
Xiaorui Liu, Yifei Yuan, JieLiu, Bin Liu, Xu Chen, Jia Ding, Xiaopeng Han, Yida Deng, Cheng Zhong, WenbinHu. Utilizing solar energy to improve the oxygen evolution reaction kinetics inzinc–airbattery. Nature Communications, 2019.DOI:10.1038/s41467-019-12627-2https://doi.org/10.1038/s41467-019-12627-2
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