1. Science：手性納米材料研究新進展
手性結構及其調控與生命現象密切相關，是當今化學、物理、材料、生物等眾多學科中重要的研究方向。目前缺少獲得精準手性結構高效和普適的方法及預測手性結構與各向異性因子（g-factor）之間構效關系的理論，這嚴重制約了超分子手性材料的發展和應用。
有鑒于此，吉林大學劉堃研究團隊與美國密歇根大學Nicholas A. Kotov研究團隊、巴西圣卡洛斯聯邦大學André de Moura研究團隊的聯合研究中，利用超分子相互作用，實現了金納米棒與人胰島淀粉樣多肽的精準共組裝，構建了具有類似于手性液晶的長程有序的納米螺旋纖維結構，其g-factor可高達0.12；同時提出了更加普適性的預測和解釋手性納米結構與g-factor之間構效關系的新理論；液晶般的顏色變化和納米棒加速的纖化過程使其可在復雜的生物介質中進行藥物篩選。
Jun Lu et al. Enhanced optical asymmetry in supramolecular chiroplasmonicassemblies with long-range order. Science 2021
DOI: 10.1126/science.abd8576
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/02/24/science.abd8576
來源吉林大學官網
2. Nature：穩態微聚束原理的實驗演示
清華大學工程物理系教授唐傳祥研究組與來自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國聯邦物理技術研究院（PTB）的合作團隊報告了一種新型粒子加速器光源“穩態微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首個原理驗證實驗。實驗中，研究團隊利用波長1064納米的激光操控位于柏林的儲存環MLS內的電子束，使電子束繞環一整圈（周長48米）后形成精細的微結構，也即微聚束。微聚束會在激光波長及其高次諧波上輻射出高強度的窄帶寬相干光，實驗通過探測該輻射驗證微聚束的形成。微聚束的形成，證明了電子的光學相位能以短于激光波長的精度逐圈關聯起來，使得電子可被穩態地束縛在激光形成的光學勢井中，驗證了SSMB的工作機理。
《自然》評閱人對該研究高度評價，認為“展示了一種新的方法論”，“必將引起粒子加速器和同步輻射領域的興趣”?！蹲匀弧废嚓P評論文章寫道：“該實驗展示了如何結合現有兩類主要加速器光源——同步輻射光源及自由電子激光——的特性。SSMB光源未來有望應用于EUV光刻和角分辨光電子能譜學等領域?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;"/>
Deng, X., Chao, A., Feikes, J. et al. Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching. Nature 590, 576–579 (2021).
DOI：10.1038/s41586-021-03203-0
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03203-0
來源清華大學官網
3. Science：化學反應中自旋軌道分波的量子干涉現象
中國科學技術大學王興安教授課題組與中國科學院大連化學物理研究所孫志剛研究員和楊學明院士課題組合作，發現了基元化學反應中自旋軌道分波的量子干涉現象，揭示了電子自旋-軌道相互作用對化學反應動力學過程的影響。
長期以來，電子自旋軌道耦合是否能夠以及如何影響化學反應的動力學過程是一個未知并極具挑戰的問題。為了解決這一問題，研究人員以實驗和理論相結合對電子自旋和軌道角動量在氟原子與氫分子的反應F+HD->HF+D中的影響進行了研究。實驗方面，通過將交叉分子束方法、時間切片離子速度成像技術與近閾值電離技術相結合，應用高分辨的實驗測量獲得了產物轉動量子態分辨的微分散射截面，并在微分散射截面前向散射方向觀測到了一個獨特的馬蹄鐵形結構。理論方面，發展了考慮電子角動量效應的量子動力學理論模擬方法，對這個獨特的馬蹄鐵形動力學結構進行了解釋。理論表明這個動力學結構是由具有正負宇稱的自旋軌道分裂的共振分波的量子干涉導致的。這一研究結果表明自旋-軌道相互作用能夠有效地影響化學反應動力學過程。
Wentao Chen, et al. Quantum interference between spin-orbit split partial waves in the F + HD → HF + D reaction, Science, 2021.
DOI：10.1126/science.abf4205
https://science.sciencemag.org/content/371/6532/936
來源中國科學技術大學官網
4. Chem. Rev.: 二維金屬有機骨架材料：合成，結構，性質和應用
在金屬有機骨架（MOF）的最新發展中，多孔層狀配位聚合物（CP）由于其模塊化的性質和可調節的結構而備受關注。這些因素使許多特性和應用成為可能，包括氣體和客體的吸附，氣體和小分子的存儲和分離，催化，發光，傳感，磁性以及能量存儲和轉換。在MOFs中，二維(2D)化合物也稱為2D CPs或2D MOFs。自2004年發現石墨烯以來，二維材料也得到了廣泛的研究。一些2D MOFs適合于剝離，作為類似于石墨烯和其他2D材料的超薄納米片，使這些分層結構在各種技術應用中有用和獨特。
有鑒于此，新加坡國立大學Jagadese J. Vittal等人，綜述了2D MOF分層體系結構的不同方面，例如拓撲結構，互穿結構，結構轉換，屬性和應用。
本文要點：
1）具有特定拓撲結構的二維MOFs的設計策略是將所需的孔隙率、光學、手性、催化性、電性和磁性結合在一起。這也取決于金屬配體的比例、金屬離子或金屬團簇的性質、配位數、配位幾何形狀和配位環境、氧化態、電子性質以及有機間隔配體的性質，如剛性/柔韌性、長度、形狀、幾何形狀和附著于它們的官能團。
2）最初，二維MOFs的研究大多是探索性的，只是為了認識到它們的網絡體系結構和不同類型的糾纏，而不是對其性質或應用的認識，這是最近才開始出現的。換句話說，這個研究領域目前正在經歷從設計和結構到性能和應用的下一個發展階段。研究人員發現這些2D MOF的新穎而引人入勝的特性，例如機械，電（電導率，半導電性，熱電性，壓電性和鐵電性等），光學（發光，雙折射，非線性光學等），光電，磁性，手性分離和催化性能。將這些2D MOFs制作成納米片，需要化學家、物理學家和材料科學家的努力。
3）這些高度結晶的材料由于易于通過單鍋自組裝法形成而非常有吸引力。盡管在2D MOF領域取得了長足的進步，但高質量、可控結構的大規模生產等挑戰仍然存在。內在缺陷和外在缺陷對器件性能的影響對于器件的制造非常重要，但目前人們對其影響的認識還不夠深入?，F在，具有各種網絡拓撲結構和纏結的2D MOF庫可用于制造基于MOF的設備。
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Gouri Chakraborty et al. Two-Dimensional Metal-Organic Framework Materials: Synthesis, Structures, Properties and Applications. Chem. Rev., 2021.
DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c01049
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01049
5. Chem: 用于WGS反應的雙功能非均相催化劑
非均相催化的基本法則是Sabatier原理，它在催化劑設計中被認為是普遍存在且不可避免的。有鑒于此，南方科技大學唐叔賢院士和徐虎副教授等人，提出了設計用于水煤氣變換（WGS）反應（CO+H2O→CO2+H2）的高效雙功能多相催化劑的新策略。
本文要點：
1）提出了一種在兩組分催化劑（金屬+氧氣覆蓋的底物）上稱為水輔助途徑（WAP）的新機理，并且對設計的催化劑Au/TiC（111）催化劑觀察到了其對WGS反應的高效率。在WAP中，弱活性氧覆蓋的底物避免了速率決定步驟中的Sabatier沖突，這與經過大量研究的遵循LH締合或LH氧化還原過程的高活性底物形成了鮮明的對比。
2）需要解離水中的＊OH或＊O吸附到催化劑的底物上，然后再從催化劑的底物上解吸。取而代之的是，金屬上的CO從水中通過弱氫鍵連接到襯底上直接獲得OH。襯底的任務是有效地在其表面輸送?H并以H2氣體的形式釋放它們。
3）實驗和理論結果表明，與采用LH-締合或LH-氧化還原工藝的高活性底物相比，具有弱活性底物的雙功能催化劑具有更高的CO轉化率。
Hao Tian et al. Avoiding Sabatier’s conflict in bifunctional heterogeneous catalysts for the WGS reaction. Chem, 2021.
DOI: 10.1016/j.chempr.2021.01.018
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.01.018
6. Angew: 通過旋轉環盤電化學和質譜法進行電化學酶制氫
氣體處理金屬酶對未來的生物和生物啟發技術很感興趣。特別重要的是氫化酶和固氮酶，它們都可以通過質子（H+）的還原產生分子氫（H2）。有鑒于此，瑞士Ross D Milton等人，報道了使用旋轉環盤電化學（RRDE）和質譜（MS）來追蹤H2的產生以及使用梭狀芽孢桿菌[FeFe]-氫化酶從氘（D+）還原產生的同位素（HD和D2）。
本文要點：
1）報道了用RRDE和MS兩種不同的方法來研究電極表面氣處理金屬酶制氫。[FeFe]氫化酶CpI用作“模型”金屬酶，鈷金屬基氧化還原聚合物被用于固定化酶和介導電子以進行H+還原。研究表明，RRDE的鉑環電極可以有效地實時監測氫氣的生成。
2）此外，在線MS用于跟蹤H2和同位素（HD，D2）的產生，這些氫和同位素（HD，D2）是通過在混合H/D緩沖電解質中的金屬酶修飾電極上的水合還原而產生的。當酶的電子轉移速率(取決于所施加的電勢)變化時，這將有助于闡明H+還原金屬酶的限速步驟(因為動力學和熱力學參數是同時研究的)。
3）盡管電化學方法可以根據傳遞給酶的電流進行KIE研究，耦合質譜技術還可以確定各個產物的分布。CpI電極對H+的還原具有接近100％的法拉第效率。
總之，該工作提出的方法將對解決產生氫氣的金屬酶的催化機理以及設計用于氫氣生產和固定氮氣的生物啟發型催化劑的設計具有重要的價值。
Jaloliddin Khushvakov et al. Following electroenzymatic hydrogen production by rotating ring disk electrochemistry and mass spectrometry. Angew., 2021.
DOI: 10.1002/anie.202100863
https://doi.org/10.1002/anie.202100863
7. Angew：聚酰胺大環連接金屬有機骨架對C60的高效包覆
在金屬有機骨架（MOF）中發現的廣泛的結構基序使它們成為主客體化學的極佳候選者，被用作包括氣體、碳氫化合物和醇等小分子的選擇性受體。由于體積較大的客體很難擴散到網絡孔隙中，對相對大分子的識別在這一領域仍然沒有得到充分的探索。有鑒于此，西班牙穆爾西亞大學的Jose Berna等研究人員，報道了聚酰胺大環連接金屬有機骨架對C60的高效包覆。
本文要點：
1）研究人員使用兩個羧基功能化的一個柔性芐基酰胺大環制備堅固的銅（II）和鋅（II）基金屬有機框架的有機配體。這些聚合物在單斜晶系的C2/m空間群中結晶，在一個方向上形成非互穿通道，溶劑可接近體積的46%。
2）與以芐基酰胺大環為連接體的金屬有機輪烷骨架不同，這些新型網狀材料中沒有主線，導致維數降低，以及孔徑和動態客體適應性提高。
3）研究人員研究了富勒烯C60在兩個與同一雙核團簇相連的大環之間產生的可調節空穴中的摻入，其占據了網絡中98%的空穴。
4）研究人員評估了這些材料作為載體對不同富勒烯的選擇性識別，主要是將較小尺寸的富勒烯衍生物包埋在C60和C70的幾種混合物中。
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Adrian Saura-Sanmartin, et al. Effective encapsulation of C60 by metal‐organic frameworks with polyamide macrocyclic linkers. Angewandte Chemie, 2021.
DOI：10.1002/anie.202100996
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202100996
8. Angew：蜂窩狀碳納米纖維：一種具有超高兩電子氧還原質量活性的超親水的捕氧電催化劑
電催化雙電子氧還原生產H2O2是替代傳統高耗能和高浪費蒽醌工藝的一種極有前途的途徑。然而，這一過程受到來自四電子氧還原途徑的強烈競爭，從而導致H2O2的選擇性較低。近日，電子科技大學孫旭平教授，河南大學馬東偉副教授，四川師范大學Quan Li報道了一種超親水性的捕氧電催化劑用于出色的電催化兩電子氧還原（2e-ORR）制H2O2。
本文要點：
1）研究人員以聚乙烯醇（PVA）為碳源，聚四氟乙烯（PTFE）為造孔劑，通過靜電紡絲工藝，在惰性氣體氣氛中炭化制備了蜂窩狀碳納米纖維（HCNFs）。
2）HCNFs電催化劑堅固耐用，具有97.3％的高H2O2選擇性，遠高于其他固態碳納米纖維。令人印象深刻的是，HCNFs電催化劑還具有高達220 A g-1的超高質量活性，超過了其他所有用于雙電子氧還原反應的電催化劑。
3）研究發現，HCNFs中豐富的含氧官能團的超親水多孔碳骨架促進了高效的電子轉移和電解質對催化劑的更進一步的潤濕，同時，互連空腔可更有效地截留氧氣泡。
4）研究人員通過原位拉曼分析和密度泛函理論（DFT）計算，進一步揭示了HCNFs的電催化機理。
研究工作不僅提供了一種極具吸引力的非貴金屬2e- ORR電催化材料，而且為設計具有超親水性和O2捕獲性并提高2e- ORR活性的三相界面開辟了一條新途徑。
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Kai Dong, et al, Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O2-Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two-Electron Oxygen Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202101880
https://doi.org/10.1002/anie.202101880
9. Angew：稀土離子在陽離子金屬有機骨架中的選擇性結晶以實現分
金屬有機骨架（MOFs）的選擇性結晶為稀土分離提供了新的途徑。其中，開發對靶離子具有高選擇性的MOF至關重要。近日，美國加州州立大學長灘分校Xianhui Bu，加利福尼亞大學河濱分校Pingyun Feng報道了一種可稀土離子分離的具有低配位數的MOFs（CPM-66）。其對稀土離子的大小變化具有極高的響應性，并在結晶過程中表現出特殊的離子大小選擇性。
本文要點：
1）CPM-66系列基于鑭系元素所罕見的M3O三聚體（M = 6配位的Sc，In，Tm-Lu），Sc/In用于CPM-66A，而Er/Tm/Yb/Lu用于CPM-66B。同時，尿素類溶劑與金屬離子之間的尺寸匹配是其成功合成的關鍵。具體來說，較小的5環基脲溶劑（DMI）可用于指導合成CPM-66A，而較大尺寸的6環基脲溶劑（DMI）的使用可以合成CPM-66B。
2）研究發現，不同稀土離子在CPM-66的結晶表現出很大且顯著的放大差異，即使是相鄰元素的結晶也表現出很大的差異。進一步的研究表明，6配位的CPM-66的稀土分離效率比具有7配位離子的CPM-29的顯著提高了數倍。從而展示低配位數稀土MOF在稀土高效分離方面的巨大應用潛力，并突出了低配位數稀土MOF合成開發的重要意義。
這項工作將進一步促進開發新策略的研究，即從較大的金屬離子中構建具有低配位數的MOF，從而拓展新的或高效應用。
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Huajun Yang, et al, Selective Crystallization of Rare Earth Ions into Cationic Metal-Organic Frameworks for Rare Earth Separation, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202017042
https://doi.org/10.1002/anie.202017042
10. Angew：金屬化石墨炔作為一類新型的光功能2D有機金屬納米片
二維（2D）納米材料因其優異的電學和光學性能而備受關注。近日，香港理工大學黃維揚教授，中科院理化學技術研究所謝政副研究員，山東大學王正平教授首次報道了利用界面輔助自下而上的方法，結合金屬中心和石墨炔的優點，成功制備了兩個自立式汞化石墨炔納米片（MGONs）。
本文要點：
1）研究人員將兩種配體tris(4-ethynylphenyl)amine（L1）和1,3,5-triethynylbenzene（L2）的配體通過堿催化的脫氫鹵化反應合成MGONs（HgL1和HgL2）。
2）通過化學生長得到的連續大面積納米片具有層狀的分子結構排列、可控的厚度和增強的π共軛，從而導致它們具有穩定而突出的寬帶非線性可飽和吸收（SA）特性（在532 nm和1064 nm）。
3）基于通過控制配體（L1和L2）的濃度和類型來調節SA的行為和結構，利用這兩個納米片作為飽和吸收體，實現了1064 nm波長下的被動調Q（PQS）特性。其中，HgL1納米片的PQS性能可媲美最先進的二維納米材料（如石墨烯、黑磷、MoS2、γ-石墨炔等）或者比其更高。而HgL2納米片甚至表現出更好的脈沖性能，如更大的單脈沖能量（0.541 μJ）和更高的峰值功率（1.23W）。
研究結果表明，兩種金屬化的石墨炔不僅是一類新型2D富碳材料，而且可以作為廉價、易得的光電器件制造材料。
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Linli Xu, et al, Metallated graphynes as a new class of photofunctional 2D organometallic nanosheets, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202014835
https://doi.org/10.1002/anie.202014835
11. EES: 22.8％效率！單晶混合陽離子鈣鈦礦太陽能電池
擴大鈣鈦礦材料的近紅外（NIR）響應以達到單結太陽能電池的理想帶隙范圍（1.1-1.4 eV）是進一步提高效率的方法。記錄效率PSC是基于FAPbI3的吸收層制備的，而且FAPbI3的最小帶隙可用于鹵化鈣鈦礦鉛薄膜（大于最佳帶隙大于100 meV）。阿卜杜拉國王科技大學Osman M. Bakr等人報道了一種混合陽離子單晶吸收層（FA0.6MA0.4PbI3）用于倒置鈣鈦礦太陽能電池。
本文要點：
1）FA0.6MA0.4PbI3的外量子效率（EQE）能帶邊緣比FAPbI3多晶太陽能電池高約50-60 meV，大于性能最高的GaAs光伏材料。EQE驗證的短路電流密度超過26 mA cm-2，而不會犧牲開路電壓（VOC），因此產生了功率轉換效率高達22.8％。這些性能指標不僅為SC-PSC創下了新記錄，而且是倒置結構PSC的最高記錄，而且為鹵化鉛PSC提供了一條將其性能提高到理論上的Shockley-Queisser極限潛力的途徑。
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Abdullah Y Alsalloum et al. 22.8%-Efficient Single-Crystal Mixed-Cation Inverted Perovskite Solar Cells with a Near-Optimal Bandgap，Energy Environ. Sci., 2021,
DOI：10.1039/D0EE03839C
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d0ee03839c#!divAbstract
12. ACS Nano：半柔性網絡中納米顆粒增強的非均質擴散
納米顆粒在半柔性網絡中的傳輸在生物學和生物醫學應用中至關重要，其在整個生命系統中形成了不同的主要結構成分。近日，清華大學燕立唐教授，北京交通大學張興華教授通過結合大規模分子模擬和理論分析，對納米顆粒在具有不同彎曲剛度的交聯聚合物網絡中的傳輸進行了基礎研究。
本文要點：
1）研究發現，納米顆粒擴散的動態非均勻性非單調地依賴于彎曲剛度，具有半柔性鏈的網絡導致了增強的非均相擴散，其特征是納米顆粒更加明顯的跳躍動力學。
2）研究人員通過數值計算得到了納米顆粒的跳躍能壘，并在半柔性區和軟、硬區表現出不同的標度行為。并進一步建立了躍遷能壘的分析模型，指出彎曲?剛性控制納米顆粒擴散的這種非單調特性歸因于構象熵和鏈剛性調節的彎曲能之間的競爭。并最終通過理論結果合理地重現了先前實驗數據。
這些發現對于揭示局限在網絡拓撲環境中的物質運輸的基本物理學意義重大，并將為納米粒子在各種生物或合成網絡中的動力學多樣性提供指南。
Ziyang Xu, et al, Enhanced Heterogeneous Diffusion of Nanoparticles in Semiflexible Networks, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.0c08877
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c08877
13. ACS Nano：配體性質和核尺寸之間的相互作用決定了單層保護的金納米顆粒的疏水性
單層保護的金納米顆粒（GNPs）的疏水性是影響自組裝、優先結合到蛋白質和膜以及其他納米?生物相互作用的重要設計參數。由于決定納米級疏水性的界面水結構的非加性，協同擾動等，使得預測單層組分對納米顆粒疏水性的影響充滿挑戰性。近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校Reid C. Van Lehn報道了通過使用原子分子動力學模擬來計算納米顆粒-水界面處的局部水合自由能，從而量化納米顆粒的疏水性。
本文要點：
1）模擬結果顯示，大尺寸GNPs的疏水性主要取決于配體端基化學性質。然而，對于小尺寸GNPs（2-6 nm），長的烷硫醇配體相互作用形成各向異性的束，這導致疏水性在空間上有很大的變化，即使對于均勻的單層組成也是如此。
2）進一步的研究表明，GNPs的疏水性是通過改變配體結構、配體化學和金核大小來調節，單純強調單配體的性質并不足以表征疏水性。進一步量化GNPs的水合自由能，研究發現，表面曲率，配體無序，GNP大小和配體構象均會影響GNP疏水性，這是配體?配體和配體?水相互作用的結果，而這些相互作用不能單純依靠單配體描述符（如logP）。
3）研究人員最后將GNPs的局部水合自由能與水和丙烷分子之間的競爭結合聯系起來，以闡明水合自由能如何預測疏水部分的優先結合。
這些結果表明，在納米尺度上量化GNP的疏水性可以用來設計GNP的表面性質，使其與生物分子(如蛋白質或脂質雙層)具有選擇性的相互作用。
晶體團簇學術QQ群：530722590
Alex K. Chew, et al, The Interplay of Ligand Properties and Core Size Dictates the Hydrophobicity of Monolayer-Protected Gold Nanoparticles, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.0c08623
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c08623
