1. Nature Materials：過冷原子液體混合物中的晶體生長速率
結(jié)晶是材料科學(xué)的基本過程，為實現(xiàn)多種新材料提供了主要途徑。結(jié)晶速率也被認(rèn)為是玻璃形成能力的有用探針。在微觀層面上，結(jié)晶是由經(jīng)典的晶體成核和生長理論來描述的，而在一般的固體形成中是一個更為復(fù)雜的過程。尤其是，在許多二元液體混合物中觀察到明顯不同的晶體生長狀態(tài)，這極大地挑戰(zhàn)了研究者對晶體化的理解。近日，德國法蘭克福大學(xué)的Robert E. Grisenti等人報道了在超冷原子液體混合物中晶體的生長速率。
本文要點：
1）通過實驗、理論和計算機(jī)模擬研究了氬和氪的過冷混合物的結(jié)晶過程，結(jié)果表明，只有明確考慮到混合物的非理想性，這些體系的晶體生長速率才能與現(xiàn)有的晶體生長模型相一致。
2）此外，該研究強(qiáng)調(diào)了熱力學(xué)在描述晶體生長動力學(xué)方面的重要性，為更復(fù)雜的晶體生長理論提供了實質(zhì)性的一步。
Schottelius et al., Crystalgrowth rates in supercooled atomic liquid mixtures. Nat. Mater. (2020).
DOI: 10.1038/s41563-020-0613-z
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0613-z
2. Nature Materials：單分子磁體在超導(dǎo)Pb（111）上的量子動力學(xué)
與超導(dǎo)體連接的磁性材料可能會揭示出具有量子技術(shù)潛力的新物理現(xiàn)象。分子作為磁性成分的用途已顯示出巨大的希望，但是分子領(lǐng)域提供的各種性質(zhì)的多樣性仍未得到充分探索。佛羅倫薩大學(xué)Roberta Sessoli和Giulia Serrano團(tuán)隊研究了一種單分子磁體的亞單層。
本文要點：
1）四鐵（III）螺旋槳狀單分子磁體的亞單層沉積在超導(dǎo)鉛表面，并揭示了超導(dǎo)體對單分子磁體自旋動力學(xué)的顯著影響。
2）結(jié)果表明，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槔淠龖B(tài)將單分子磁體從受阻磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為共振量子隧穿狀態(tài)。該研究結(jié)果為通過超導(dǎo)體控制單分子磁性以及將單分子磁體用作超導(dǎo)狀態(tài)的局部探針開辟了前景。
Serrano,G., Poggini, L., Briganti, M. et al. Quantum dynamics of a single moleculemagnet on superconducting Pb(111). Nat. Mater. (2020).
DOI:10.1038/s41563-020-0608-9.
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0608-9
3. Nature Photonics：在非均勻應(yīng)變單層WS2中激子向三重子的動力學(xué)和有效轉(zhuǎn)化
近年來，研究人員一直在努力進(jìn)行激子在單層過渡金屬二硫化氫中的有效輸運，所述二過渡雙金屬二硫化氫經(jīng)受高度不均勻的應(yīng)變。柏林自由大學(xué)Kirill I. Bolotin團(tuán)隊研究激子和三重子在單層半導(dǎo)體WS2中受控非均勻機(jī)械應(yīng)變的傳輸。
本文要點：
1）基于原子力顯微鏡（AFM）的設(shè)置適用于通過使用AFM尖端壓入單層來主動控制和調(diào)整應(yīng)變曲線。光譜學(xué)用于揭示激發(fā)的載流子的動力學(xué)。非均勻應(yīng)變配置會局部改變WS2的價態(tài)和導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生有效力，將激子和三重子吸引到AFM尖端下方的最大應(yīng)變點。
2）漂移擴(kuò)散模型解釋了應(yīng)變下WS2的光致發(fā)光光譜的巨大變化。研究表明，與以前的觀察相反，在室溫下中性激子的運輸在室溫下可以忽略不計。相反，研究發(fā)現(xiàn)在非均勻應(yīng)變曲線下自由載流子的重新分布導(dǎo)致激子高效轉(zhuǎn)化為三重子。即使沒有電氣門控，轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到約100％。該結(jié)果解釋了先前實驗中的不一致之處，并為新型光電器件鋪平了道路。
Harats,M.G. et al. Dynamics and efficient conversion of excitons to trions innon-uniformly strained monolayer WS2. Nat. Photonics (2020).
DOI:10.1038/s41566-019-0581-5
https://doi.org/10.1038/s41566-019-0581-5
4. Nature Nanotechnology：揭示細(xì)胞外囊泡穿過細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)制
細(xì)胞釋放細(xì)胞外囊泡（EVs）進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，這需要EVs穿過細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）。然而，鑒于EVs的尺寸通常大于ECM的網(wǎng)格尺寸，因此不清楚它們?nèi)绾未┻^致密的ECM。于此，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校Jae-Won Shin等人表明，與合成納米粒子相比，EVs很容易通過納米多孔ECM進(jìn)行轉(zhuǎn)運。
本文要點
1） 通過使用工程水凝膠，研究人員證明基質(zhì)的機(jī)械性能會在限制條件下調(diào)節(jié)異常的EVs轉(zhuǎn)運。基質(zhì)應(yīng)力松弛允許EVs克服限制，并且更高的交聯(lián)密度會促進(jìn)通過聚合物網(wǎng)的波動轉(zhuǎn)運運動，這導(dǎo)致自由擴(kuò)散和快速傳輸。
2） 此外，通過水通道蛋白-1的水滲透介導(dǎo)EV的可變形性，這會進(jìn)一步輔助水凝膠和脫細(xì)胞基質(zhì)中的EV轉(zhuǎn)運。
3） 該研究可以告知治療性EV如何被潛在地修飾，以更好地促進(jìn)它們通過組織ECM的遞送。
綜上所述，該結(jié)果描述了EV在沒有基質(zhì)降解的情況下在聚合物基質(zhì)中轉(zhuǎn)運的能力，盡管EV大于基質(zhì)的平均網(wǎng)格尺寸。基質(zhì)應(yīng)力松弛使EV容易逃逸由聚合物網(wǎng)絡(luò)形成的籠子。該研究結(jié)果為受限環(huán)境中EV運輸?shù)男再|(zhì)提供了證據(jù)，并證明了對基質(zhì)力學(xué)和水滲透的依賴性，為ECM中發(fā)生的EV轉(zhuǎn)運行為開辟了新的研究途徑。
Lenzini,S., Bargi, R., Chung, G. et al. Matrix mechanics and waterpermeation regulate extracellular vesicle transport. Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0636-2
5. Nature Biomed. Eng.: 納米光子硅探針可更快地進(jìn)行深部腦光刺激
將納米光子學(xué)用于快速和精確地重新配置光束以在體內(nèi)對神經(jīng)元進(jìn)行光刺激的用途仍然難以捉摸。于此，美國哥倫比亞大學(xué)Michal Lipson和冷泉港實驗室Adam Kepecs等人設(shè)計和制造了可植入硅基探針，該探針可以切換和發(fā)送多個光束，以刺激經(jīng)過皮層的已識別神經(jīng)元集，并同時記錄產(chǎn)生的尖峰模式。
本文要點:
1) 器件中的每個開關(guān)都包含一個氮化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以通過電調(diào)諧光的相位而快速地重新配置，時間小于20μs。在麻醉的小鼠中顯示，研究人員通過使用八束探針，可以獨立刺激小群單個神經(jīng)元，以亞毫秒精度產(chǎn)生多神經(jīng)元尖峰模式。
2) 研究人員還表明，集成了共同制造的電記錄位點的探針可以同時進(jìn)行光學(xué)刺激和電測量深腦神經(jīng)活動。該技術(shù)具有可擴(kuò)展性，可以進(jìn)行光束聚焦和轉(zhuǎn)向，并通過光束變形進(jìn)行結(jié)構(gòu)化照明。
綜上所述，Michal Lipson等人對可重構(gòu)可見波長納米光子技術(shù)的演示是向可植入光學(xué)探針邁出的一步，可快速控制任意數(shù)量的單個神經(jīng)元，用于神經(jīng)科學(xué)研究的腦刺激。該設(shè)備的高帶寬光刺激能力可能有助于探測行為背后的時空神經(jīng)代碼。此外，硅光子學(xué)和電子學(xué)的集成將使集成探針具有與當(dāng)前可用的電記錄探針的尺寸和分辨率相匹配的光學(xué)刺激能力。這種多功能大規(guī)模設(shè)備的開發(fā)將能夠控制任意、遺傳或功能定義的神經(jīng)群體，以研究精確定時多神經(jīng)元模式對神經(jīng)計算和行為的貢獻(xiàn)。
Mohanty,A., Li, Q., Tadayon, M.A. et al. Reconfigurable nanophotonicsilicon probes for sub-millisecond deep-brain optical stimulation. Nat Biomed Eng (2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0516-y
6. JACS: 通過設(shè)計液體介導(dǎo)處理來合成超穩(wěn)定分子篩
當(dāng)前，提高多孔材料在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性仍舊是一個巨大的挑戰(zhàn)。硅鋁酸鹽沸石分子篩在被用作吸附和催化方面時，有時會被暴露在高溫蒸汽條件下（1000 ℃）。高硅酸沸石分子篩骨架中的缺陷位點會導(dǎo)致材料的降解，因此迫切需要可行的修復(fù)缺陷的方法。近日，日本東京大學(xué)的 Toru Wakihara 教授課題組提出了一種通過修復(fù)缺陷位點來合成超穩(wěn)定高硅酸沸石分子篩的方法。
本文要點：
1） 在不使用其他甲硅烷基化劑的條件下，通過使用液體介導(dǎo)處理來減少缺陷位點的方法，具有* BEA-，MFI-和MOR-型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高二氧化硅（SiO2 / Al2O3> 240）沸石的穩(wěn)定性可以得到顯著的提高。
2） 在被暴露于極高溫度（900-1150°C）的蒸汽中時，穩(wěn)定化的沸石仍可保持其結(jié)晶度和微孔結(jié)構(gòu)，而母體商業(yè)沸石則被完全降解。
3） 本文所提出的自缺陷修復(fù)方法為物種通過多孔體的遷移提供了新的途徑，并極大地提高了沸石在惡劣環(huán)境中的實用性。
KentaIyoki et al. Extremely Stable Zeolites Developed via Designed Liquid-MediatedTreatment. J. Am. Chem. Soc., 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b12709
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b12709
7. JACS: 菱沸石中有機(jī)和無機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的合作競爭競爭性閉塞會影響其鋁的排列
沸石分子篩具有清晰的晶體骨架結(jié)構(gòu)，這有利于將來自材料結(jié)構(gòu)和功能的實驗和理論評估的數(shù)據(jù)和見解聯(lián)系起來，為合理巧妙地設(shè)計材料提供了一個方便的平臺。近日，美國普渡大學(xué)的Rajamani Gounder教授課題組和美國圣母大學(xué)的William F. Schneider教授課題組結(jié)合了實驗與理論去探究了有機(jī)和無機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑（SDA）在菱沸石（CHA）沸石微孔空隙中占據(jù)的合作或競爭作用，并合理化SDA選址對在基本固定成分（Si / Al = 15）的CHA沸石之間偏斜Al骨架（Al-O(-Si-O)x-Al,x=1-3）排列的影響。
本文要點：
1） 使用TMAda+和Na+的混合物結(jié)晶的CHA分子篩每個籠中都含有一個TMAda+，而Na+被共吸的含量與6-MR配對Al位點的數(shù)量成線性比例，并通過Co2+滴定進(jìn)行定量。相比之下，使用TMAda+和K+混合物結(jié)晶的CHA沸石提供的證據(jù)表明，平均而言，三個K+陽離子取代了一個TMAda+占據(jù)了一個籠子，并且主要包含6-MR分離的Al位點。而且，CHA在形成競爭性結(jié)晶相之前從含有K+的無機(jī)物/有機(jī)物比與Na+相比高十倍的合成介質(zhì)中結(jié)晶，從而提供了減少結(jié)晶高二氧化硅CHA所需的有機(jī)SDA量的途徑。
2） 密度泛函理論計算表明，Na+和K+離子半徑的差異決定了它們在不同CHA環(huán)中的位置的偏好，這影響了它們與TMAda+共同吸留并穩(wěn)定不同Al構(gòu)型的能量。蒙特卡洛模型證實，由Na+或K+共阻塞產(chǎn)生的能量差分別促進(jìn)了6-MR和8-MR配對的Al排列的形成。
3） 這些結(jié)果突出了在沸石結(jié)晶過程中利用有機(jī)和無機(jī)SDA的混合物進(jìn)行開發(fā)的機(jī)會，以便更有效地利用有機(jī)SDA并影響骨架Al的排列。
JohnR. Di Iorio et al. Cooperative and Competitive Occlusion of Organic andInorganic Structure Directing Agents within Chabazite Zeolites Influences TheirAluminum Arrangement. J. Am. Chem. Soc., 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b13817
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13817
8. JACS: 利用具有減小孔徑的離子共價有機(jī)納米片組裝成的超薄二維膜用于氣體分離
共價有機(jī)骨架材料（COFs）是一種非常有前景的多孔材料，它具有廣泛的化學(xué)可調(diào)性，高孔隙率，分子層面的有序排列和較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。盡管COF具有這些優(yōu)點，但是其相對較大的孔徑（一般大于0.5 nm）限制了它作為膜材料用于氣體分離這一方面的應(yīng)用，尤其是對于大多數(shù)動力學(xué)直徑小于0.4 nm的氣體的篩分要求。近日，新加坡國立大學(xué)的Dan Zhao教授課題組報道了通過具有不同孔徑和相反電荷的兩種離子共價有機(jī)納米片（iCON）的層層（LbL）組裝來合成超薄二維（2D）膜。
本文要點
1）由于具有強(qiáng)靜電相互作用的離子共價有機(jī)納米片的錯列堆積，所合成的膜具有較小的孔徑，優(yōu)化的堆積模式，和不犧牲厚度的緊湊致密的結(jié)構(gòu)，這些性質(zhì)非常適合其用作分子篩氣體分離方面。
2）其中，具有41 nm厚度的TpEBr@TpPa-SO3Na這一雜化膜在423 K處顯示H2滲透率為2566氣體滲透單位（GPU），H2 / CO2分離系數(shù)為22.6，超過了最近的Robeson上限，并且具有較長時間的水熱穩(wěn)定性。
3）這一材料不僅為高性能的H2分離膜提供了候選產(chǎn)品，而且還為COF或二維多孔聚合物膜的孔工程提供了啟示。
YunpanYing et al. Ultrathin Two-Dimensional Membranes Assembled by Ionic CovalentOrganic Nanosheets with Reduced Apertures for Gas Separation. J. Am. Chem.Soc., 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b13825
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13825
9. JACS：一氧化碳（CO）氧化過程中AuCu納米顆粒表面的動態(tài)原子團(tuán)簇
負(fù)載合金納米顆粒是非均相和電化學(xué)催化體系中主流替代低成本催化劑。氣體分子在反應(yīng)條件下于合金納米顆粒中的某種金屬選擇性的相互作用引起合金納米顆粒的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化，并在催化中起到?jīng)Q定性作用。然而迄今為止，探索這種同時包含結(jié)構(gòu)和化學(xué)的多組分動態(tài)相互作用控制的演化仍極具挑戰(zhàn)。有鑒于此，天津大學(xué)羅浪里、上海科技大學(xué)楊波以及西北太平洋國家實驗室王崇民團(tuán)隊通過最新的環(huán)境球差校正掃描透射電子顯微鏡（ETEM)直接原位觀測到CO氧化過程中CeO2上負(fù)載的AuCu合金納米顆粒表面的原子級別變化。
本文要點：
1）CeO2負(fù)載的AuCu納米顆粒具有多個晶面，在CO氧化過程中，反應(yīng)的活化位點是其中（010）晶面經(jīng)過劇烈的動態(tài)演變形成的動態(tài)原子團(tuán)簇吸附層。
2）在CO氧化過程中，只有CO時，AuCu納米顆粒中的Au表面析出形成活化層；而在CO和O2混合氣氛中，合金中的Cu表面偏析并選擇性被氧化形成另外一種活化層。
3）DFT表明，在只有CO的條件下，CO在AuCu納米顆粒上Au的吸附能更小，從而使得Au更容易表面析出形成對于的活化層；加入氧氣后，O2則在Cu上的吸附能更小，從機(jī)理上證實了實驗結(jié)果。
Langli Luo et al. Dynamic atomclusters on AuCu nanoparticles surface during CO oxidation. JACS. 2020
DOI: 10.1021/jacs.9b13901
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b13901
10. JACS：燃料驅(qū)動的反應(yīng)循環(huán)對水凝膠特性進(jìn)行再設(shè)計
在自然界重要的非平衡超分子過程中，催化是控制組裝和反應(yīng)循環(huán)不可缺少的工具。與自然相似，燃料驅(qū)動的反應(yīng)循環(huán)也被用于創(chuàng)建非平衡自組裝。有鑒于此，斯特拉斯堡大學(xué)Nishant Singh與Thomas M. Hermans介紹了一種完全人工的反應(yīng)循環(huán)，該循環(huán)由“預(yù)燃料”催化獲得的化學(xué)燃料驅(qū)動，可實現(xiàn)水凝膠（凝膠-溶膠-凝膠）的瞬態(tài)分解。
本文要點：
1）每次瞬態(tài)凝膠-溶膠-凝膠循環(huán)后的材料特性取決于燃料生產(chǎn)的催化速率，反應(yīng)循環(huán)控制水凝膠的分解和重新組裝，其中預(yù)燃料的轉(zhuǎn)換率決定了形態(tài)和機(jī)械性能。
2）通過利用水凝膠的海綿狀“收縮”行為，可以機(jī)械地擠出廢棄物，并為系統(tǒng)補(bǔ)充燃料，對水凝膠一次又一次地重新設(shè)計，從而在材料性能損失最小的情況下實現(xiàn)多達(dá)十三種瞬態(tài)循環(huán)（凝膠-溶膠-凝膠）。
這項工作展示了催化作用如何控制燃料的產(chǎn)生，以控制非平衡系統(tǒng)中的反應(yīng)/組裝動力學(xué)和材料性能，為創(chuàng)建與生物材料控制類似的純合成類生命系統(tǒng)提供了新的思路。
NishantSingh et al. Re-Programming Hydrogel Properties using a Fuel-driven ReactionCycle. J. Am. Chem. Soc. 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b11503
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11503
11. JACS: 鈷催化α,β-不飽和羧酸的不對稱加氫反應(yīng)
過渡金屬催化的不對稱氫化是制備單一對映異構(gòu)體化合物的最有效方法之一。一個重要例子是左乙拉西坦的不對稱合成，這是一種用于癲癇的藥物，它是通過鈷催化的不對稱氫化反應(yīng)制備的。有鑒于此，美國普林斯頓大學(xué)Paul J. Chirik等人提出了使用易于制備的雙（膦）鈷（0）1,5-環(huán)辛二烯預(yù)催化劑對α，β-不飽和羧酸進(jìn)行不對稱氫化的方法。
本文要點：
1）具有不同取代方式的二，三和四取代丙烯酸衍生物以及脫氫-α-氨基酸衍生物的氫化具有高取代度和對映選擇性。
2）使用還原的鈷（0）預(yù)催化劑發(fā)現(xiàn)與常見有機(jī)官能團(tuán)的相容性最佳。
3）表征證明合成了具有催化作用的一系列雙（膦）鈷（II）雙（新戊酸酯）配合物，它們是最先進(jìn)的釕（II）催化劑的結(jié)構(gòu)類似物。
4）通過化學(xué)計量反應(yīng)對鈷（II）-底物配合物進(jìn)行分離和表征表明，在游離羧酸的存在下，烯烴插入了氫化鈷，產(chǎn)生了與催化反應(yīng)相同的烷烴對映體。
HongyuZhong, et al. Cobalt-Catalyzed Asymmetric Hydrogenation of α, β-UnsaturatedCarboxylic Acids by Homolytic H2 Cleavage, J. Am.Chem. Soc. 2020
DOI:10.1021/jacs.9b13876
https://doi.org/10.1021/jacs.9b13876
12. Joule：效率超過26％!基于石墨烯的鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池
鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池是將市場領(lǐng)先的晶體硅技術(shù)升級到超出其理論極限的有吸引力的途徑。與四端子架構(gòu)相比，兩端子架構(gòu)可降低工廠成本。然而，將鈣鈦礦型太陽能電池直接單片處理到記錄效率高的非晶/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池正面的微米級紋理上是有挑戰(zhàn)性的，這限制了頂部電池的高溫處理和固溶處理。為了解決這些問題，羅馬第二大學(xué)Aldo Di Carlo和卡薩西亞研究中心Mario Tucci 團(tuán)隊提出了一種機(jī)械堆疊的兩端子鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池。
本文要點：
1）優(yōu)化的子電池是獨立制造，隨后通過使介觀的鈣鈦礦頂部電池的背面電極與紋理化和金屬化的正面接觸而耦合硅底部電池的接觸。
2）通過最小化光損耗（如通過設(shè)計空穴選擇層/背面接觸結(jié)構(gòu)，并為鈣鈦礦頂部電池使用石墨烯摻雜的介孔電子傳輸層實現(xiàn)的），該級串聯(lián)器件顯示出26.3％的效率（穩(wěn)定的25.9％）。有效面積為1.43 cm2。
EnricoLamanna et al. Mechanically Stacked, Two-Terminal Graphene-BasedPerovskite/Silicon Tandem Solar Cell with Efficiency over 26%，Joule, 2020
DOI:10.1016/j.joule.2020.01.015.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300453
