1. Nature Physics：球形結晶的形態選擇動力學
幾何約束下的結晶在凝聚態物理，生物物理和材料科學等領域中至關重要。然而即使是最簡單的幾何形狀（球形）對結晶的影響，也尚未得到更進一步的理解，從而使最終超結構的形態控制具有挑戰性。近日，復旦大學譚鵬青年研究員，日本東京大學Hajime Tanaka報道了采用包裹在乳液液滴中的帶電膠體作為模型體系，以揭示單顆粒水平的結晶動力學。1）研究發現，在幾何阻錯效應（geometrical frustration effect）的作用下，具有二十面體缺陷的二十面體排列迅速形成了“表皮”層，隨后出現了內部有序排列和緩慢熟化。最終的形貌是由與系體無關的表皮層形成和與體系相關的遠離表面的最穩定固體的結構轉變之間的動態相互作用決定。2）除了熱力學外，研究人員還揭示了幾何約束下動力學在形態選擇中的重要作用。形態選擇本質上是由二十面體表面有序和內部有序之間的角對稱性匹配決定，這不僅受熱力學的影響，而且還受動力學的影響。這有望為納米晶體的結構設計提供新的思路。
Chen, Y., Yao, Z., Tang, S. et al. Morphology selection kinetics of crystallization in a sphere. Nat. Phys. (2020)DOI：10.1038/s41567-020-0991-9https://doi.org/10.1038/s41567-020-0991-9
2. Science Advances: 模型孔催化劑材料內單納米顆粒活性動力學的檢測
多孔載體與活性材料（例如金屬納米顆粒）之間的相互作用會嚴重影響復合催化劑材料的性能。多孔催化劑中的納米約束可能會由于局部轉化而在孔內引起反應物濃度梯度。由于部分催化劑可能被困在不活躍的狀態，這導致活性物質使用效率低下。在實驗上，由于材料的復雜性和對空間分辨率的要求，這些效果仍然沒有得到研究。有鑒于此，查爾姆斯理工大學Christoph Langhammer等人，展示了納米流體技術，單顆粒等離子體納米光譜技術和質譜技術的結合如何能夠在模擬多孔催化劑載體材料的納米流體模型孔中檢測局部氣相反應物轉換控制的單催化劑納米顆粒活性。1）利用納米多孔催化劑的準二維模擬物，將納米流體與單粒子等離子體激元的特性和在線質譜表征結合在一起，在Cu模型催化劑上的CO氧化過程中，通過單一粒子在操作條件下的分辨率，可以直觀地觀察到由于“模型孔”內單個Cu納米顆粒的轉化以及它如何動態控制氧化態以及反應活性而形成的反應物濃度梯度的形成。2）從單粒子等離子體納米光譜學獲得的信息表明，在這種模型孔內，在單個Cu粒子上發生的CO氧化反應可以局部降低進料中的O2濃度，從而暫時禁止在更下游位置放置的粒子上形成氧化物，因此使其處于較高活性狀態。可視化這些反應物梯度的能力是模型孔設計的直接結果，該模型孔設計允許高的反應物流速和僅0.07 s的反應物停留時間，從而防止了擴散使每個單個納米粒子位置的局部反應物濃度達到平衡。因此，這些結果可以直觀地看到反應物的局部轉換如何導致納米限制體積內的氣體濃度梯度的形成，從而使單個催化劑顆粒的氧化態在幾分鐘到幾小時內保持穩定。3）這是一個重要發現，因為它為經常與文獻中有關催化劑活性相的實驗結果相矛盾的現象提供了廣泛適用的解釋。特別是，它突出了在實際應用條件下研究復雜催化劑材料時單顆粒空間分辨率的至關重要性，因為如果在“錯誤”的空間位置進行催化劑表征或將其平均化，則很容易得出關于活性相的錯誤結論。總之，該工作為氣相中的單粒子催化提供了一個研究思路，并強調了單粒子方法對于理解復雜催化劑材料的重要性。
David Albinsson et al. Operando detection of single nanoparticle activity dynamics inside a model pore catalyst material. Science Advances, 2020.DOI: 10.1126/sciadv.aba7678http://doi.org/10.1126/sciadv.aba7678
3. PNAS：甲烷包合物形成的成核途徑
甲烷包合物廣泛存在于地球的海底。更好地了解甲烷包合物的形成對天然氣的開采，儲存和運輸具有重要意義。理解包合物形成的關鍵步驟是水合物成核，其被認為涉及多種進化途徑。近日，中國石油大學（華東）張軍教授，Jiafang Xu，美國賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco，內布拉斯加大學林肯分校Xiao Cheng Zeng報道了通過對大規模分子動力學（MD）模擬結果的分析，確定了甲烷包合物形成的獨特成核/生長途徑。特別是，將三元水環聚集體（TWRA）確定為表征成核途徑的基本結構。通過跟蹤多個TWRA的演化過程，確定了一條表征良好的形核/生長路徑。1）所確定途徑的一個標志性特征是堵塞的甲烷分子的水合層脫水，其中1-2-0，2-0-1的TWRA被識別為中間結構，2-1-0，3-0-0的TWRA被識別為特定的和特征性的結構。這四個關鍵結構只能在甲烷分子聚集的區域大量產生。2）研究發現，當甲烷分子聚集并碰撞時，其水合層會發生重疊/壓縮，然后水合層脫離（脫落），從而形成包合物。3）根據這種水化層壓縮/脫落機制，研究人員估計臨界核大約涉及5個CR>3的區域，包括～13甲烷和～100水分子。因此，可以通過解析公式來估計相關的成核時間尺度，繼而實現了很好地表征或定量地預測成核/生長路徑、臨界核的大小和成核時間尺度。
Liwen Li, et al, Unraveling nucleation pathway in methane clathrate formation, PNAS, 2020DOI：10.1073/pnas.2011755117www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2011755117
4. Chem. Soc. Rev.: 分子四吡啶基金屬配合物用于小分子活化：水分解和CO2還原
在過去的200年里，化石燃料的巨大消耗導致了大量的溫室氣體二氧化碳的釋放，造成了嚴重的全球氣候變化。另一方面，化石燃料被預測將在未來200年內耗盡。因此，為了緩解全球環境問題和能源需求，尋找清潔和可再生能源來替代化石燃料是本世紀科學家面臨的最緊迫的任務之一。人工光合作用被認為是通過陽光驅動的水分解和CO2還原將太陽能轉化為燃料的最有前景的策略之一。理想情況下，這些反應所需的能量可以直接從陽光或太陽能衍生的電力中獲得。然而，為了使這些反應在合理的速率和低過電位下發生，需要廉價和豐富的、高效和選擇性強的催化劑。在過去的幾十年里，大量的努力致力于開發高效的過渡金屬催化劑，以用于水分解和和二氧化碳還原。值得注意的是，2,2‘:6,2”:6”,2’”-quaterpyridine (qpy)基金屬絡合物被發現是近年來用于水分解和CO2還原的優異催化劑。有鑒于此，香港城市大學劉大鑄教授和法國巴黎大學Marc Robert教授等人，綜述了使用金屬四吡啶基配合物作為人工光合作用的電催化劑和光催化劑的最新進展。1）介紹了金屬四吡啶基配合物催化的水分解和二氧化碳還原的主要研究進展。分析了不同四吡啶基配合物以及文獻中所報道的選擇性催化劑的電催化和光催化CO2還原的詳細實驗條件和數據。2）qpy的平面性，強配位性和良好的p接受特性均有助于這些配合物作為人工合成催化劑發揮獨特的性能。這些配合物的催化性能可以通過在qpy配體上引入各種取代基來調節。這些催化劑的選擇性和穩定性可以通過接枝qpy配合物到各種導電或半導體材料上，以及將其嵌入到金屬有機框架中來進一步增強。
Lingjing Chen et al. Molecular quaterpyridine-based metal complexes for small molecule activation: water splitting and CO2 reduction. Chem. Soc. Rev., 2020.https://doi.org/10.1039/D0CS00927J
5. Chem. Soc. Rev.: MOF活化和孔隙率的研究進展
自從金屬有機框架（MOF）首次報道以來，這種獨特的晶體多孔材料在諸如氣體存儲和分離，催化，酶固定化，藥物輸送，吸水和脫氣等廣泛的應用中贏得了越來越多的關注。MOFs的一個基本特征是其多孔性，它在微觀尺度和介觀尺度上提供了限制和展示其功能的空間。因此，設計具有高孔隙率的MOF并開發合適的活化方法以保留和利用其孔隙空間已成為MOF研究的共同主題。為了實現不同的孔結構、拓撲結構和功能，網狀化學允許從高度可調的金屬節點和有機連接物簡便地設計MOFs。有鑒于此，美國西北大學Omar K. Farha教授等人，綜述了MOFs的孔隙度和活化的發展歷史，然后對MOFs中設計和保持永久孔隙度的策略進行了介紹。1）在過去的幾十年中，MOF研究迅速發展，不僅包括新材料的開發，還包括這些高度可編程的材料在各種應用中的利用。由于多孔性是MOF的基本特征，也是大多數MOF應用的基礎，因此，對孔隙率的設計和控制進行研究（包括如何在特定應用中最好地保留多孔性）一直是研究的主題。2）在MOF未來的研究中，對孔隙率的設計和控制研究是重要方向，以便更好地控制空間的可訪問性和框架內的功能。其中一個持續的挑戰是設計和合成能夠平衡重量和體積表面積的高度多孔MOF；這些類型的吸附劑在車載存儲和和運送清潔燃料（例如氫氣和甲烷氣體）方面有很高的需求。在沒有溶劑交換預處理的情況下，將MOF活化過程簡化為通過加熱和真空直接活化仍然是一個挑戰。3）更吸引人的是用簡單而經濟的有機連接物合成這些高孔隙的MOFs的可能性。一般來說，由于耐久性、可重復使用性和成本效益，尋求更穩定的材料一直是人們長期關注的焦點。使用MOFs作為基質材料的巨大前景并不局限于小的氣體分子。MOFs在包封大分子，如藥物、蛋白質、多氧酸鹽和分子磁體方面已經顯示出了潛力，并且仍然有廣闊的未知領域有待探索。從歷史的角度看，從歷史的角度來看，MOF研究領域一直在蓬勃發展，未來的道路將充滿挑戰。
Xuan Zhang et al. A historical overview of the activation and porosity of metal–organic frameworks. Chem. Soc. Rev., 2020.https://doi.org/10.1039/D0CS00997K
6. Acc. Chem. Res.: 通過機器學習進行大規模原子模擬的研究進展
在過去的幾十年中，基于量子力學（QM）計算的原子模擬已進入化學家的工具箱，促進了對從結構表征到反應性測定的各種化學問題的理解。由于QM計算固有的低伸縮性和高計算成本，在執行大規模原子模擬時必須犧牲精度或時間。在精確度和速度之間找到一個更好的折衷點是新理論方法發展的核心。有鑒于此，復旦大學劉智攀教授、Cheng Shang等人，綜述了用于原子模擬的機器學習方法在三個關鍵方面的最新進展，即代表數據集的生成、ML模型的廣泛性和數據表示的連續性。1）選取了G-NN電勢在材料和反應模擬中的兩個最新應用，以說明基于ML的原子模擬如何幫助發現新材料和反應。2）基于機器學習(ML)的大規模原子模擬的最新進展顯示出巨大的前景，對化學研究的多個方向均具有重要作用。基于ML的模擬不是直接求解Schr?dinger方程，而是依靠大量具有準確勢能面（PES）和復雜數值模型的數據集來預測總能量。這些模擬具有計算大型系統的高速和高精度的特點。由于數值模型缺乏物理基礎，因此ML模型的可預測性和魯棒性較差，而這對于應用至關重要。在建立代表性數據集時，采用全局優化方法是很自然的選擇，而隨機表面行走方法可以為PES上的極小區域和過渡區域提供所需的PES采樣。3）當前的ML模型通常利用局部幾何描述符作為輸入，并將總能量視為原子能量的總和。數據描述符和ML模型有很多形式，但材料和反應預測的應用仍然有限，尤其是因為難以訓練相關的龐大全局數據集。研究表明，最近設計的冪類型結構描述符和前饋神經網絡(NN)模型與高度復雜的全局PES數據兼容，這為全局神經網絡(G-NN)帶來了很大的潛力。
Pei-Lin Kang et al. Large-Scale Atomic Simulation via Machine Learning Potentials Constructed by Global Potential Energy Surface Exploration. Acc. Chem. Res., 2020.DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00472https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00472
7. Nat. Sci. Rev.：鈀納米板可通過限制上皮-間充質轉化阻斷乳腺癌的肺轉移
在包括乳腺癌在內的多種腫瘤類型中，轉移是導致癌癥死亡的主要原因。上皮-間充質轉化(EMT)是轉移發生和發展的驅動力，但目前尚無可以有效靶向阻斷EMT的策略以對抗轉移。工程化納米材料(ENMs)已被廣泛報道具有抗腫瘤效果，但也尚未有ENMs能夠針對于EMT。鈀(Pd)納米材料是一種新型納米材料，由于其具有良好的光熱性能，在納米醫學中受到了廣泛發關注。中科院環境生態研究中心劉思金研究員和廈門大學鄭南峰教授發現Pd納米板(PdPL)會優先分布于原發腫瘤和轉移腫瘤中，其在有近紅外(NIR)光照射和無NIR光照射下都能顯著地抑制肺轉移。1）機理研究表明，經PdPL治療后，乳腺癌細胞的EMT會明顯受損，其中的原因是轉化生長因子-β(TGF-β)信號通路被抑制。令人驚訝的是，該研究發現PdPL可以直接與TGF-β蛋白發生相互作用，降低TGF-β在激活其下游信號時的功能，實驗也通過研究Smad2磷酸化水平的降低來證明了這一點。2）與此同時，不依賴TGF-β的通路也會參與破壞EMT和其他轉移所必需的重要生物學過程。此外，近紅外光對PdPL誘導的原發腫瘤和轉移抑制也有協同作用。綜上所述，這一研究的結果表明，PdPL可通過抑制EMT信號顯著地抑制癌癥轉移,從而為對抗乳腺癌的肺轉移提供了一個高效的新策略。
Shunhao Wang. et al. Palladium nanoplates scotch breast cancer lung metastasis by constraining epithelial-mesenchymal transition. National Science Reviews. 2020https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa226/5900996?searchresult=1
8. Angew：組裝誘導的螺環手性銀（I）團簇的強圓偏振發光
分子手性化合物的超分子組裝對理解手性傳導和實現優異的手性相關特性至關重要。近日，清華大學Liang Zhao等報道了一種新的固有手性金屬簇，螺環Ag9團簇。1）該螺環Ag9團簇由兩個共頂點的原位生成的雜芳基diide為中心的金屬環構成。實驗表明，在不同的聚集條件下，這種核-外圍型團簇表現出光致發光和光學手性行為。2）與團簇的稀釋溶液中基于配體的熒光發射相反，溶劑極性引起的組裝由于輻射模式轉換和聚集誘導發射而產生了新的基于簇的磷光。3）團簇對映體的組裝可以生成微米級的螺旋納米纖維，其螺旋性取決于單個螺環團簇的絕對構型。4）得益于螯合配體的螺旋排列在分子和微觀水平上的激子偶聯，該團簇對映體組裝膜表現出圓偏振發光，其各向異性系數非常高，可達0.16。該工作不僅展示了一種新的手性金屬團簇結構模型，而且還為合理設計和合成基于金屬團簇的CPL功能材料用于手性應用開辟了一條新途徑。
Han Wu, et al. Assembly‐Induced Strong Circularly Polarized Luminescence of Spirocyclic Chiral Silver(I) Clusters. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202008765https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008765
9. AM綜述：用于高效光伏材料的化學穩定的黑色相CsPbI3無機鈣鈦礦
化學穩定的無機鈣鈦礦材料在高效率超過19%和高熱穩定性方面取得了快速的進展，使其成為熱力學穩定的高效鈣鈦礦太陽能電池的最有前途的候選材料之一。在這些無機鈣鈦礦中，化學成分穩定性好的CsPbI3具有適合單結和串聯太陽電池的禁帶寬度(≈為1.7 eV)。與各向異性有機陽離子相比，各向同性的銫離子沒有氫鍵和陽離子取向，使CsPbI3具有獨特的光電性質。然而，CsPbI3較差的耐受因子使其面臨來自不同晶相競爭和室溫相穩定性的挑戰。有鑒于此，上海交通大學趙一新教授綜述了最具挑戰性和發展前景的CsPbI3無機鈣鈦礦的最新研究進展和發展前景。1）作者概述了鈣鈦礦CsPbI3的晶體結構，總結了制備高質量、物相純的黑色相CsPbI3的化學新方法的研究進展。2）作者進一步總結了解決黑相CsPbI3鈣鈦礦穩定性問題的策略，以及黑相CsPbI3穩定性機理研究的最新進展。3）作者最后對具有高穩定性、高性能的CsPbI3無機鈣鈦礦及相關光電子器件的發展進行了展望。
Yong Wang, et al, Chemically Stable Black Phase CsPbI3 Inorganic Perovskites for High-Efficiency Photovoltaics, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202001025https://doi.org/10.1002/adma.202001025
10. AM: 植物生物質計算建模的研究進展
植物生物質，特別是木材，自古以來就被用作結構材料。它還顯示出開發新型結構材料的巨大潛力，是新興生物精煉廠建設可持續社會的主要原料。植物的細胞壁主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成的分層基質。有鑒于此，麻省理工學院的Markus J. Buehler等人，對使用密度泛函理論（DFT）和分子動力學（MD）等計算建模方法研究的纖維素，木質素和木材細胞壁的結構，性質和反應進行了綜述。計算模型在理解植物生物質及其納米材料的結構和性質方面起著至關重要的作用，未來可能在開發新的生物質分級材料方面發揮重要作用。1）由于DFT和MD方法是最常用的方法，因此該綜述側重于它們。DFT和MD方法已用于研究纖維素和木質素的結構，力學性能，與環境的相互作用，反應機理和光譜。DFT已被應用于小分子體系的物理和化學方面，而MD主要應用于纖維素和植物生物質的物理方面。2）纖維素有不同的類型，即纖維素I、纖維素II、纖維素III、纖維素IV及其亞型，其中纖維素I為天然纖維素。研究最多的是纖維素Iβ，因為它是木材中的主要類型，也是自然界中最常見的類型。半纖維素通過計算模型進行的研究較少，因此未包括在本綜述中。3）木質素是一種芳香族木質素聚合物，是新興生物精煉和生物質基納米材料制造的瓶頸。天然木質素的結構逐漸被揭示，而工業用木質素的結構仍不清楚。全面了解植物細胞壁的層次結構、性質、化學成分及其轉化，包括纖維素和木質素，對開發可再生納米材料、燃料和化學品至關重要。多尺度建模在這些方面顯示出了巨大的價值。
Shengfei Zhou et al. Understanding Plant Biomass via Computational Modeling. Advanced Materials, 2020.DOI: 10.1002/adma.202003206https://doi.org/10.1002/adma.202003206
11. Biomaterials：純分子藥物水凝膠用于術后癌癥治療
局部給藥系統，特別是水凝膠，在預防術后復發方面具有顯著的優勢。但是，由于這些藥物遞送系統往往需要進而化學修飾或附加載體分子才能形成水凝膠，這也常會導致局部炎癥和全身毒性相關的副作用，進而影響水凝膠的臨床轉化。上海交通大學朱新遠教授和于春陽副研究員、南京師范大學沈健教授開發了一種可用于減少術后腫瘤復發的純分子抗癌藥物水凝膠。1）實驗將抗癌藥雷替曲塞在水溶液中進行超聲從而制備了該純分子水凝膠，該水凝膠的制備過程簡便、環保，不涉及化學合成。分子動力學模擬則證實了雷替曲塞可通過氫鍵和π-π相互作用以自組裝形成納米纖維水凝膠。2）研究表明，該純分子水凝膠可在體內可有效地降低腫瘤復發率，抑制腫瘤生長。因此，這種自遞送雷替曲塞的水凝膠有望作為一種有效的輔助工具來預防術后的局部腫瘤復發。
Qiuhui Qian. et al. A pure molecular drug hydrogel for post-surgical cancer treatment. Biomaterials. 2020https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220306499
12. Biomaterials綜述：納米顆粒用于對動脈瘤進行靶向成像和治療
威斯康星大學麥迪遜分校宮紹琴教授、弗吉尼亞大學Lian-Wang Guo和Craig Kent對利用納米顆粒對動脈瘤進行靶向成像和治療的相關研究進行了綜述介紹。1）腹主動脈瘤(AAA)是一種主動脈局部擴張的疾病，正影響著數百萬人的生命健康。AAA的破裂會導致高死亡率(~80-90%)的發生，因此迫切需要開發高效的治療方法來對抗AAA。合理設計的納米粒子(NPs)具有實現這一目的的獨特性能。動脈瘤的特征是過度炎癥和細胞外基質(ECM)降解。因此，在實驗模型中，典型的炎癥細胞和暴露的ECM蛋白可以作為NPs的靶點，以實現治療或者診斷的目的。2）NPs不僅可用于在臨床前實驗中對藥物和生物分子進行包封和遞送，而且還可用于增強成像以監測動脈瘤患者的腫瘤發展。此外，NPs也可以很容易地被各種分子修飾，以提高其對病灶的靶向性、生物相容性和體內的循環時間。作者在文中也綜述介紹了利用NPs對AAA進行靶向成像和治療的研究進展、面臨的局限性和未來的發展前景。
Nisakorn Yodsanit. et al. Recent progress on nanoparticles for targeted aneurysm treatment and imaging. Biomaterials. 2020https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220306529
