1. Nature Mater.：實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)/拓?fù)浠魻栃?yīng)共存于磁性拓?fù)浣^緣體三明治結(jié)構(gòu)
量子反常霍爾效應(yīng)（QAHE）源于動量空間中非零的貝利（Berry）曲率。量子反常霍爾絕緣體在無外磁場存在下具有零損耗的手性邊緣態(tài)。然而，拓?fù)浠魻栃?yīng)（THE）——手性自旋結(jié)構(gòu)的標(biāo)志，則源于真實空間的貝利曲率。最近，賓州州立大學(xué)常翠祖、Moses H. W. Chan、Nitin Samarth等人發(fā)現(xiàn)，將拓?fù)浣^緣體（TI）層插入兩磁性TI層之間（形成三明治結(jié)構(gòu)），在此基礎(chǔ)上，通過電場柵控可實現(xiàn)QAHE和THE的共存。
THE通過體載流子測得，QAHE則通過手性邊緣態(tài)反映。其中，量子反常霍爾絕緣體系中的THE來源于手性磁疇壁（注：手性磁疇壁來源于柵誘導(dǎo)的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用），且該THE發(fā)生于磁性TI三明治結(jié)構(gòu)的磁化反轉(zhuǎn)過程。作者認(rèn)為，手性邊緣態(tài)和手性自旋結(jié)構(gòu)的共存為實現(xiàn)零耗散自旋電子應(yīng)用提供了平臺。
圖1. TI三明治異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的QAHE。
圖2. 在TI三明治異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)QAHE和THE的共存。
Jiang,J., Xiao, D., Wang, F. et al. Concurrence of quantum anomalous Hall andtopological Hall effects in magnetic topological insulator sandwichheterostructures. Nat. Mater. (2020).
DOI:10.1038/s41563-020-0605-z
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0605-z
2. Nature Mater.：室溫下，在少層半金屬MoTe2中同時實現(xiàn)經(jīng)典/平面自旋霍爾效應(yīng)
自旋霍爾效應(yīng)（SHE）通常在具有大量自旋軌道耦合（SOC）的高對稱性晶體中以體效應(yīng)的形式存在。在這之中，對稱的自旋軌道場使得自旋霍爾角（θSH）和自旋擴散長度（Lsf）之間存在權(quán)衡，且自旋極化、自旋電流和荷電流（外部電流）三者之間相互正交。
最近，新加坡國立大學(xué)Kian Ping Loh、Vitor M. Pereira和臺北中研院物理所Hsin Lin等人發(fā)現(xiàn)，低對稱性少層半金屬MoTe2在室溫下可實現(xiàn)高達(dá)0.32的 θSH和2.2μm的Lsf，十分有望用于同步的自旋生成、傳輸以及檢測。此外，作者發(fā)現(xiàn)面外極化的縱向自旋電流既可由橫向的荷電流產(chǎn)生，也可由垂直方向的荷電流產(chǎn)生，分別源于傳統(tǒng)SHE和新發(fā)現(xiàn)的平面SHE。該研究表明對晶體對稱性和SOC的調(diào)控能實現(xiàn)新型電荷-自旋轉(zhuǎn)換和自旋-軌道轉(zhuǎn)矩，在自旋電子應(yīng)用中存在一定前景。
圖1. 塊體/少層半金屬MoTe2的晶體對稱性。
Song,P., Hsu, C., Vignale, G. et al. Coexistence of large conventional and planarspin Hall effect with long spin diffusion length in a low-symmetry semimetal atroom temperature. Nat. Mater. (2020).
DOI:10.1038/s41563-019-0600-4
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0600-4
3. JACS: 兩性離子屏障調(diào)控多硫化物助力長效Li-S電池
在液態(tài)Li-S電池中，對多硫化物的行為進行合理調(diào)控對于改善電池穩(wěn)定性至關(guān)重要。最近，華南師范大學(xué)的王新與加拿大滑鐵盧大學(xué)的陳忠偉等開發(fā)出一種獨特的聚合物型兩性離子(PZI)來實現(xiàn)對多硫化物的智能調(diào)控。這種PZI將親硫性與親鋰性集成在同一個聚合物基質(zhì)中，通過與多硫化物之間的化學(xué)相互作用營造了選擇性離子傳輸?shù)沫h(huán)境。
研究人員將其用作Li-S電池功能性中間層后發(fā)現(xiàn)其對多硫化物有強烈的阻擋作用而可以允許鋰離子穿過，因此能夠顯著抑制多硫化物穿梭問題。基于PZI的電池在長達(dá)1000周的深度循環(huán)中平均每周容量衰減率只有0.012％，在5C的高倍率下也可以正常工作。此外，研究人員在高硫載量和少量電解液條件下對電池電化學(xué)性能進行了測試，300周后電池面容量仍有5.3mAh/cm2。還工作表明這種兩親性聚合物界面層有望在實際鋰硫電池體系中得到廣泛應(yīng)用。
GaoranLi, Xin Wang, Zhongwei Chen et al, Polysulfide Regulation by the ZwitterionicBarrier toward Durable Lithium–Sulfur Batteries, JACS, 2020
DOI: 10.1021/jacs.9b13303
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13303
4. Joule: 鈣鈦礦光伏制造業(yè)的經(jīng)濟可持續(xù)增長
光伏制造的巨額資本支出使新的電池和模塊技術(shù)難以進入市場。麻省理工學(xué)院Ian Mathews團隊提出了兩個技術(shù)經(jīng)濟模型，用于分析R2R單結(jié)技術(shù)和鈣鈦礦-硅串聯(lián)模組的鈣鈦礦制造的可持續(xù)增長。重點是規(guī)模經(jīng)濟和平均售價對盈利能力的影響。
對于工廠生產(chǎn)的柔性模組，研究人員將成本范圍定在3.30 美元/瓦至0.5 3美元/瓦之間，范圍從0.3 MW/年至1GW/年。此外，對制造串聯(lián)模組的成本進行了建模，并展示了現(xiàn)有制造商如何通過共同投資于串聯(lián)模組，可以更快地增長。該分析突出了鈣鈦礦光伏產(chǎn)品的潛在市場途徑，以及即使在勞動力價格較高的市場中，可持續(xù)發(fā)展光伏制造公司的可能性。
EconomicallySustainable Growth of Perovskite Photovoltaics Manufacturing，Joule，2020
DOI:10.1016/j.joule.2020.01.006
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300337
5. Angew: 溶劑分子的協(xié)作提高鋰金屬電池雙電極上的性能
開發(fā)與電極有效和可逆循環(huán)兼容的電解質(zhì)對于可充電鋰金屬電池（LMBs）的成功至關(guān)重要。耶魯大學(xué)王海梁、中南大學(xué)梁叔全和北美全球能源互連研究院Bo Wang等人通過研究以碳酸亞乙酯，碳酸二甲酯，亞硫酸亞乙酯及其組合作為鋰金屬電池電解質(zhì)溶劑對電池庫侖效率和循環(huán)壽命的影響，發(fā)現(xiàn)在陽極側(cè)，如果與Li金屬電極具有高相容性/低反應(yīng)性的溶劑分子在Li+的溶劑化鞘中起主導(dǎo)作用，則存有低效溶劑的二元溶劑電解質(zhì)仍可表現(xiàn)出高CE。但溶劑化鞘的次要成分仍參與SEI的形成，因此影響SEI層的結(jié)構(gòu)和性能以及電極的循環(huán)壽命。
在陰極側(cè)，電解質(zhì)的抗氧化穩(wěn)定性也由Li+的溶劑化結(jié)構(gòu)決定。也就是說，二元溶劑電解質(zhì)在電極表面上的分解程度主要取決于主導(dǎo)Li+溶劑化鞘的溶劑組分。基于這些發(fā)現(xiàn)，研究者開發(fā)了對Li || LiFePO4電池具有高性能的碳酸亞乙酯（EC）-亞硫酸亞乙酯（ES）電解質(zhì)。碳酸鹽分子占據(jù)了溶劑化鞘，并提高了陽極和陰極的庫侖效率。亞硫酸鹽分子促進SEI的理想形態(tài)和組成，并延長了鋰金屬陽極的循環(huán)壽命。兩種分子之間的協(xié)作為改進鋰金屬電池提供了電解質(zhì)設(shè)計的新實例。
YifangZhang, Yiren Zhong,Zishan Wu, Bo Wang, Shuquan Liang, Hailiang Wang, SolventMolecule Cooperation Enhancing Lithium Metal Battery Performance on BothElectrodes, Angewandte Chemie International Edition, 2020.
DOI:10.1002/anie.202000023
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202000023
6. Angew: 通過二維聚合物分子工程提高Au（111）在堿性介質(zhì)中的析氫活性
水的電化學(xué)分解有望儲存可再生能源間歇產(chǎn)生的能量。目前，氫氣的產(chǎn)生依賴于鉑的使用，而這種催化劑既稀少又昂貴。在這種情況下，在表面上單層生長的2D聚合物已成為具有可調(diào)化學(xué)和電子結(jié)構(gòu)的多孔材料，可用于改善金屬表面的催化活性。
德國馬普所Rico Gutzler課題組使用設(shè)計的有機分子通過在Au（111）上發(fā)生Ullmann型偶聯(lián)反應(yīng)來制造共價2D結(jié)構(gòu)。與裸金相比，具有聚合物圖案的金電極顯示出高達(dá)三倍的析氫反應(yīng)活性。在分子水平上合理設(shè)計聚合物可以成為一種易于擴展至其他電催化反應(yīng)的方法來提高氫的釋放活性。
Enhancinghydrogen evolution activity of Au(111) in alkaline media through molecular engineering of a 2D polymer, Angew., 2020.
DOI: 10.1002/anie.201915855
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915855
7. AM：配體交換誘導(dǎo)無定形Pd納米材料用于高效電催化析氫
各種無定形材料，如過渡金屬二鹵化物、金屬氧化物和金屬磷酸鹽等，已被證實能夠顯示出比其結(jié)晶對應(yīng)物更優(yōu)異的電催化性能。與用于電催化劑的其他材料相比，貴金屬具有固有的高活性和優(yōu)異的耐久性。然而，由于強原子間的金屬鍵合，制備非晶態(tài)貴金屬納米材料仍然非常具有挑戰(zhàn)性。
基于此，南洋理工大學(xué)&香港城市大學(xué)張華等人報道了一種獨特的硫醇分子，即鉍試劑Ⅰ，其可以誘導(dǎo)Pd納米材料從面心立方(fcc)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷啵黄茐钠渫暾浴＿@種配體誘導(dǎo)的非晶化是在環(huán)境條件下通過后合成配體交換實現(xiàn)的，適用于具有不同封端配體的fcc Pd納米材料。重要的是，所獲得的無定形Pd納米粒子在酸性溶液中對電催化析氫表現(xiàn)出顯著增強的活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。該工作為制備非晶態(tài)Pd納米材料提供了一種簡便有效的方法，并展示了其廣闊的電催化應(yīng)用前景。
HongfeiCheng, Nailiang Yang, Guigao Liu, Yiyao Ge, Jingtao Huang, Qinbai Yun, YonghuaDu, Cheng‐Jun Sun, Bo Chen, Jiawei Liu, Hua Zhang. Ligand‐Exchange‐Induced Amorphization of Pd Nanomaterials for Highly EfficientElectrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction. Advanced Materials. 2020
DOI: 10.1002/adma.201902964
https://doi.org/10.1002/adma.201902964
8. Nano Lett.：利于光聲成像對光熱促進的納米材料體內(nèi)形態(tài)變化進行監(jiān)測
將生物活性分子原位構(gòu)建成納米組裝材料已被證明可以改善其性能，但如何在體內(nèi)控制納米組裝材料的形態(tài)仍然是目前所難以解決的問題。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楊子欣副研究員、陳浩教授、國家納米科學(xué)中心喬增瑩研究員和王浩研究員合作提出了一種光熱促進的形態(tài)轉(zhuǎn)變(PMT)策略來加速納米材料的形成，以提高藥物分子的生物學(xué)性能。
與自發(fā)的過程相比，PMT過程的轉(zhuǎn)化效率提高了4倍。由于組裝效率的增加，藥物在腫瘤中的累積量是無光照條件下的2倍，因此它也可以更加有效抑制腫瘤的生長。并且，實驗也利用比值光聲圖像對體內(nèi)外的藥物化學(xué)再組裝過程進行了監(jiān)測，從而證明了光熱誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)化加速過程。這一研究通過在體內(nèi)對生物分子組裝動力學(xué)進行無創(chuàng)地人工控制，從而為智能機器人的發(fā)展提供了新的思路。
Xue-HaoZhang, Dong-Bing Cheng, Zi-Xin Yang, Hao Chen, Zeng-Ying Qiao, Hao Wang. et al.Photothermal-Promoted Morphology Transformation in Vivo Monitored byPhotoacoustic Imaging. Nano Letters. 2020
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04752
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04752
9. ACS Nano: 拉伸超過1000次！高可變形性的鈣鈦礦太陽能電池
對于可穿戴和皮膚的電子產(chǎn)品來說，開發(fā)具有高循環(huán)機械耐久性的可拉伸太陽能電池仍然是一項挑戰(zhàn)。中科院寧波材料所Weijie Song和Weiyan Wang團隊使用折紙結(jié)構(gòu)（kirigami結(jié)構(gòu)）設(shè)了一種柔性鈣鈦礦太陽能電池（PSC）。實驗和力學(xué)模擬表明，折紙結(jié)構(gòu)通過平面外變形有效地賦予了PSC的可拉伸性，從而顯著降低了設(shè)備中的應(yīng)力。
基于折紙結(jié)構(gòu)的PSC具有較高的機械變形能力，包括可拉伸性（最大200％應(yīng)變），可扭曲性（最大450o角）和可彎曲性（最小半徑0.5 mm）。更重要的是， PSC在重復(fù)1000次拉伸，扭曲和彎曲循環(huán)后仍顯示出很高的機械耐久性，并且性能幾乎保持不變。這種可拉伸PSC的折紙設(shè)計為實現(xiàn)太陽能電池以及其他光電設(shè)備的高可變形性提供了一種有前途的策略。
Kirigami-BasedHighly Stretchable Thin Film Solar Cells that are Mechanically Stable for Morethan 1000 Cycles，ACS Nano 2020
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06562
10. ACS Nano：具有固有防污和光熱殺菌特性的金納米棒/聚合物復(fù)合涂層用于治療感染性疝氣
生物醫(yī)療設(shè)備相關(guān)感染(BAI)是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)高效的抗菌材料對提高醫(yī)療水平和人民健康水平具有重要意義。有鑒于此，北京化工大學(xué)徐福建、段順等人開發(fā)了一種用于多功能抗菌應(yīng)用的表面功能化策略，以金納米棒（Au-NRs）和聚乙二醇（PEG）組成的近紅外（NIR）響應(yīng)性有機/無機雜化涂層為基礎(chǔ)，制備了一種具有固有防污和光熱殺菌性能的功能化聚氨酯(PU，一種廣泛應(yīng)用于疝氣修復(fù)的生物醫(yī)學(xué)材料)表面材料(PU-Au-PEG)。
結(jié)果表明，PU-Au-PEG具有較高的抗細(xì)菌黏附能力，在808 nm的近紅外光照射下表現(xiàn)出高效的光熱殺菌性能，特別是對多重耐藥細(xì)菌的殺菌效果更佳。此外，PU-Au-PEG對生物膜的形成有長期的抑制作用。細(xì)胞毒性和溶血實驗也證明了PU-Au-PEG的生物相容性。體內(nèi)光熱抗菌性能首次通過皮下植入動物模型得到驗證。然后，用感染性疝氣模型研究了臨床場景中的抗感染性能。動物實驗結(jié)果表明，PU-Au-PEG具有良好的體內(nèi)抗感染性能。本工作為研制多功能生物醫(yī)學(xué)裝置提供了一條簡便易行、頗具前景的途徑。
Yu-QingZhao, Yujie Sun, Yidan Zhang, et al. Well-Defined Gold Nanorod/Polymer HybridCoating with Inherent Antifouling and Photothermal Bactericidal Properties forTreating an Infected Hernia, ACS Nano, 2020.
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09282
