1. Nature Materials：鎳酸鹽超導機理
自從Cu基超導材料被發現以來的30年間，人們對材料科學領域的材料化學組分的超導重現性進行不懈的研究，目前人們在這個研究領域得到重要突破進展，成功的在層狀鎳酸鹽材料中實現了超導。鎳酸鹽與銅基材料具有不同的電子性質和磁性，但是鎳酸鹽具有強庫倫相互作用，因此具有與銅基材料類似的豐富對稱性破缺結構。有鑒于此，英國鉆石同步輻射光源(DIAMOND) Ke Jin Zhou、電子科技大學喬梁等報道通過Ni L3共振X射線散射光譜表征技術，在NdNiO2薄膜中觀測發現電荷密度波CDWs（charge density waves）。1）發現在Nd 5d軌道和Ni 3d軌道中觀測發現對稱的(0.333, 0)波矢，具有明顯的面外關聯特點和長達~60 ?的面內關聯長度。2）通過光譜表征研究，發現CDW和Nd 5d-Ni 3d軌道雜化有關，當材料中20 % Sr摻雜，進入超導態時CDW消失。這項研究揭示了與銅基超導材料不同，鎳酸鹽材料的CDW具有多個軌道特點。Tam, C.C., Choi, J., Ding, X. et al. Charge density waves in infinite-layer NdNiO2 nickelates. Nat. Mater. (2022)DOI: 10.1038/s41563-022-01330-1https://www.nature.com/articles/s41563-022-01330-1
2. Nature Materials：固態玻璃結構內的類液相原子
研究玻璃的微觀結構和動態變化圖像長期以來都是個巨大的挑戰，通過對玻璃的結構和弛豫動力學進行的廣泛研究，目前人們得到了典型的玻璃圖片：玻璃含有一些由結合程度較為松散原子構成的“軟”區間，這種軟區域分布在結合程度緊密的原子陣列內。人們在近期的實驗中發現在弛豫過程中還存在快速的動力學過程，但是對這種快速過程的產生原因并不理解。有鑒于此，中科院物理研究所白海洋等結合深入的動力學實驗和理論計算模擬，揭示了其中的快速弛豫過程與類似液相原子的弦狀擴散（string-like diffusion of liquid-like atom）過程有關，其來自于高溫液體的能力。1）在室溫條件，密堆積金屬玻璃中一些原子能夠像液相條件的原子擴散，實驗測試結果顯示原子的粘度僅為107 Pa·s，這項研究拓展了目前人們理解的固相玻璃微觀結構，有助于建立玻璃材料的動力學-性質關系。2）通過動態力學研究和分子動力學模擬，展示了金屬玻璃的快速動力學與類液體原子有關。Chang, C., Zhang, H.P., Zhao, R. et al. Liquid-like atoms in dense-packed solid glasses. Nat. Mater. (2022)DOI: 10.1038/s41563-022-01327-whttps://www.nature.com/articles/s41563-022-01327-w
3. Nature Catal.：氧化物-分子篩催化劑合成氣轉化反應機理
日前出現的氧化物-分子篩雙功能催化劑能夠用于合成氣的催化轉化，并且受到人們的廣泛關注，進一步需要對這個復雜催化反應過程研究其機理過程。有鑒于此，大連化物所侯廣進等報道設計了準原位的固態NMR-GC/GC-MS分析表征測試方法，對ZnAlOx/H-ZSM-5催化劑在高壓流動相反應過程中，合成氣轉化反應的起始、穩態情況進行研究。1）鑒定了催化反應動態變化過程中大量關鍵的以及/或者瞬態中間體，包括羧酸、烷氧基、與酸結合的甲基-環戊酮、甲基-環戊烯碳正離子等，從而直接展示了其獨特的基于氧化物的反應網絡。2）提出的反應機理，與人們對氧化物-分子篩催化劑作為簡單的級聯催化劑的普遍性認識不同，展示了CO和H2分子在氧化物機理過程中的多重作用，對最終產物的決定性作用。在氧化物種反應路線過程中，H2和CO起到的作用包括形成多碳烯烴/芳烴、在氧化物表面形成反應性C1中間體等，通過這種復雜分析方法和包含多重催化循環進行共同調節的反應網絡，為理解和發展雙功能合成氣轉化催化劑提供幫助。此外，這項工作能夠為發展雙功能催化劑提供更加豐富的空間，因為反應物能夠在雙功能催化劑的多個反應步驟中起到作用。Ji, Y., Gao, P., Zhao, Z. et al. Oxygenate-based routes regulate syngas conversion over oxide–zeolite bifunctional catalysts, Nat Catal 5, 594–604 (2022)DOI: 10.1038/s41929-022-00806-2https://www.nature.com/articles/s41929-022-00806-2
4. Nature Commun.：通過腫瘤免疫微環境的多維分析預測胃癌對免疫治療的反應
單一的生物標志物往往不足以確定哪些胃癌患者有可能從抗pd -1/PD-L1治療中獲益，而這也是由復雜的腫瘤微環境所導致的。此外，目前人們對于腫瘤浸潤免疫細胞(TIICs)的密度和空間組織在預測治療反應方面的應用價值也尚未明確。利用多重免疫組化技術，北京大學沈琳教授在80例胃癌患者中實現了對原位生物標志物的亞細胞分辨率定量。1）為了預測免疫治療的反應，研究者通過CD4+FoxP3?PD-L1+、CD8+PD-1?LAG3?和CD68+STING+細胞的密度以及CD8+PD-1+LAG3?T細胞的空間組織，建立了一個多維的TIIC標志。2）研究表明，TIIC標志可以預測GC患者對于抗PD-1/PD-L1免疫治療的反應以及患者的生存期。綜上所述，該研究構建的多維TIIC標志能夠被用于篩選有望從抗PD-1/PD-L1免疫治療中獲益最多的患者。Yang Chen. et al. Predicting response to immunotherapy in gastric cancer via multi-dimensional analyses of the tumour immune microenvironment. Nature Communications. 2022https://www.nature.com/articles/s41467-022-32570-z
5. AM：長壽命鋅離子電池式自供電壓力傳感器
在無需外接電源的情況下，準確、連續地檢測壓力信號是實現可穿戴電子設備、物聯網和人工智能小型化的關鍵技術。但是，使用當前的傳感器技術很難實現。近日，華中科技大學Yihua Gao，Nishuang Liu展示了一種新型一體式策略，即鋅離子電池壓力 (ZIB-P) 傳感器技術，該技術將可充電固態鋅離子電池本身設計為柔性壓力傳感器。1）該器件在夾層結構固態電池中引入隔離層，實現機械信號向電信號轉換過程中通過壓力改變器件內阻。2）該電池壓力傳感器具有良好的柔韌性、快速的響應/恢復時間（76.0/88.0 ms）、穩定的長期響應、優異的循環穩定性（100000次）和寬壓力檢測范圍（2.0 Pa-3.68×105 Pa）。3）ZIB-P傳感器具有優異的充放電性能，賦予其對人體生命體征（脈搏和肢體運動等）的實時檢測能力，以及即使在10萬次壓力刺激下也不會退化的超高穩定性。ZIB-P傳感器策略為小型化可穿戴電子設備的未來發展提供了新的解決方案。Qixiang Zhang, et al, Zinc Ion Battery Typed Self-Powered Pressure Sensor with Long Service Life, Adv. Mater. 2022DOI: 10.1002/adma.202205369https://doi.org/10.1002/adma.202205369
6. AM：表面匹配誘導枝晶調控實現超高倍率和穩定的鋅負極
資源豐富的金屬(如鋅)電池具有安全性和可持續性的內在優勢。然而，它們的實際可行性受到金屬負極可逆性差的嚴重阻礙，主要原因是不可控的枝晶生長。為了完全防止枝晶的形成，研究人員付出了很大的努力，但在高電流密度時，這似乎不太有效。近日，天津大學Ji Liang，Feng Hou，天津師范大學Liqun Wang開發了一種高效的可用于超高倍率可逆鍍鋅/剝離的Zn枝晶調控策略。1）與傳統的Zn枝晶抑制策略相比，研究人員誘導和調控了由細小、分布均勻、準同質的Zn枝晶組成的枝晶形貌。其中，在Cu納米線(CuNW)襯底規則暴露的Cu(111)面上外延形成大量均勻細小的Zn枝晶，抑制了“自放大”生長特征，消除了不規則枝晶的突然性生長。2）受益于調節的枝晶形態，在對稱電池中實現了在100.0 mA cm-2下高達30 000次循環的高度穩定和快速的鋅鍍/剝離，產生了30 Ah cm-2的高累積面容量。此外，這種策略可以很容易地擴展到其他金屬的沉積，如鎂和鋁，顯示了應用于各種電池類型的巨大潛力。Zhehan Yi, et al, An Ultrahigh Rate and Stable Zinc Anode by Facet-Matching-Induced Dendrite Regulation, Adv. Mater. 2022DOI: 10.1002/adma.202203835https://doi.org/10.1002/adma.202203835
7. AM：利用定制的生物基納米纖維將90wt%的納米MOF塑造成堅固的多功能氣凝膠
金屬-有機骨架(MOF)是一種具有可調化學性質和結構性質的雜化多孔晶體網絡。然而，由于其難以成形的粉末形態，其優異的潛力在實際應用中受到了限制，這使得將MOF組裝成具有機械完整性的宏觀復合材料具有挑戰性。雖然粘結劑基質可以實現混合材料，但這種材料的MOF含量有限，因此功能也有限。近日，皇家理工學院Lars W?gberg，Weiqian Tian，Jowan Rostami提出了一種通用的策略來制備90 wt%納米MOF負載量的氣凝膠，只使用10 wt%的高縱橫比陽離子纖維素納米纖維(CNF)作為高效的納米級構建塊，使協同互連網絡中具有強大的界面粘附性。1）這一策略提供了一種簡單的水基制備過程，從而獲得了各向異性有序、機械性能堅固且濕態穩定的MOF氣凝膠。由此產生的氣凝膠使MOF的固有特性得到充分利用，具有出色的物理吸附氣體和凈化水能力。2）有趣的是，這種機械上堅固而靈活的碳納米纖維網絡和高比表面積納米MOF的組合顯示出任何組件都沒有的協同性能，如優異的阻燃性能。氣凝膠還在惰性氣氛中碳化，形成可壓縮和彈性的N摻雜碳氣凝膠，可用作超級電容器電極。3）這些氣凝膠的制備和碳化顯示了一種精確、高效和可持續的方法來獲得高附加值的多功能材料，這些材料顯示出獨特的性能，可用于各種應用。它們的阻燃性、可控的納米孔結構和氣體分離/吸附性能使其成為極端環境下高附加值絕緣材料的理想選擇。它們的高比表面積、低重量和優異的導電性使其成為可持續發展的超級電容器電極的理想選擇。Jowan Rostami, et al, Shaping 90 wt% Nano MOFs into Robust Multifunctional Aerogels Using Tailored Bio-Based Nanofibrils, Adv. Mater. 2022DOI: 10.1002/adma.202204800https://doi.org/10.1002/adma.202204800
8. AEM：液態等離激元改性泡沫鎳：NiOOH/NiFeOOH活性位點用于電催化乙醇、醛和水氧化
析氧反應 (OER) 和可再生有機底物的增值氧化對為可持續燃料的合成提供電子和質子至關重要。為了滿足工業要求，需要一種簡單、快速、環保和廉價合成穩定、自支撐和高表面積電極的新方法。近日，柏林工業大學Prashanth W. Menezes，Matthias Driess，烏爾姆大學Timo Jacob等報道了一種用于在泡沫鎳上生長分級納米結構的新型液體等離激元（等離激元電解）方法。1）通過該方法可以將鐵摻雜到該高表面積電極中，并且形貌可以保留。2）對于5-（羥甲基）糠醛和苯甲醇氧化反應，經過等離激元處理的無鐵電極更容易達到高達 800 mA cm-2 的電流密度，且法拉第效率高于95%。3）作者通過甲醇探測和原位拉曼光譜合理化了鐵摻雜產生的不同催化效果。此外，作者發現 OER 活性與氧化還原活性位點的數量成比例，并且有機氧化反應受到擴散的限制。Jan Niklas Hausmann, et al. In-Liquid Plasma Modified Nickel Foam: NiOOH/NiFeOOH Active Site Multiplication for Electrocatalytic Alcohol, Aldehyde, and Water Oxidation. Adv. Energy Mater., 2022DOI: 10.1002/aenm.202202098https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202202098
9. ACS Nano：雜化銀納米線-CMC氣凝膠:從1D納米材料到3D導電和抗機械的輕質結構
將納米材料定向組裝成3D結構是生產具有定制物理性質的宏觀材料的有力工具。近日，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學Caroline Celle，Jean-Pierre Simonato采用冰模板法、一維Ag納米結構和冷凍干燥法制備了超輕金屬材料(最小為6 mg cm?3)。1）這些氣凝膠表現出良好的導電性能，但其固有的抗機械能力有限。通過添加CMC制備的復合氣凝膠，其抗機械性能顯著提高(7000%以上)，同時保持了良好的導電性（在AgNW/CMC比例為1:1，總重量為2.0wt %時，為0.9 ± 0.2 Ω cm）。2）結果表明，CMC的相對分子質量對提高AgNW在CMC基質中的分散性，從而增強冰模氣凝膠的力學性能和電學性能起到了至關重要的作用。此外，對于超輕氣凝膠（<25 mg cm?3），其楊氏模量值是迄今為止報道的最高值之一。3）最后，機電特性表征表明，AgNWs和CMC混合氣凝膠具有壓阻性，在嚴重的壓縮應變下，在100次循環中具有非常穩定的機電性能。因此，這種方法可以擴大輕質導電材料的材料組合，這對包括壓力傳感器在內的廣泛應用很有興趣。Maribel Touron, et al, Hybrid Silver Nanowire?CMC Aerogels: From 1D Nanomaterials to 3D Electrically Conductive and Mechanically Resistant Lightweight Architectures, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c04288https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04288
10. ACS Nano：仿生多孔MXene沉淀型水凝膠用于高性能多功能電磁干擾屏蔽
開發模擬自然界生物材料的高性能和功能性水凝膠極具應用潛力，但仍具有高度挑戰性。近日，蘇黎世聯邦理工學院Na Wu，山東大學Zhihui Zeng，Jiurong Liu通過簡單、可擴展的單向冷凍和隨后的鹽析方法，成功地使用少量的聚乙烯醇(PVA)來交聯MS，以制備一種具有單向、微米級蜂窩狀孔的堅固、高度導電的水凝膠。1）PVA和MS協同作用形成的高韌性細胞壁不僅穩定了仿生有序的孔結構，而且有助于MS基水凝膠的高機械柔性和拉伸性。此外，微孔、基于MS的導電網絡以及MS和PVA之間的大量界面的協同作用使得水凝膠具有高EMI屏蔽性能。2）MS基水凝膠在厚度為1.0至7.5 mm時的X波段EMI SE分別為31至91 dB，2.0 mm厚水凝膠的SE在超寬帶GHz頻率范圍內超過40 dB，包括X-波段、Ku-波段(12.4-18 GHz)、K-波段(18-26 GHz)和Ka-波段(26.5-40 GHz)。這一性能與迄今為止報道的最好的EMI屏蔽材料相當。3）研究人員通過簡單、可持續地控制水凝膠中的水含量，定量確定了水對EMI屏蔽性能的影響，推進了對水凝膠用于EMI屏蔽整體材料的優越性的有價值的理解。此外，極低含量的銀納米線(AgNW)易于嵌入到MS基仿生水凝膠中，顯著增強了電磁屏蔽性能。當入射電磁波的傳播方向垂直于排列的孔道時，僅含0.16 wt % AgNW的水凝膠的EMI SE從44急劇增加到66 dB。此外，基于MS的導電水凝膠的機械超柔性有助于實現作為可穿戴傳感器的高性能人體運動檢測器。因此，基于MS的多功能水凝膠在下一代電子學中具有很高的應用潛力。Yunfei Yang, et al, Biomimetic Porous MXene Sediment-Based Hydrogel for High-Performance and Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c06164https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06164
11. ACS Nano：鋁離子插入驅動無能量捕獲態的階梯式人工紗線肌肉
由于客體和主體材料之間的弱相互作用或不穩定的結構變化，目前的人工肌肉一直存在驅動步長精度差和需要能量輸入來維持驅動狀態的問題。近日，中科大Jiangtao Di，Qingwen Li通過在四氯鋁酸鹽離子和塌陷的碳納米管之間進行可逆法拉第插入和提取反應機制，解決了上述問題。1）這種機制使四氯鋁酸鹽離子成為一個強大而動態的“鎖定器”，從而實現無能量的高壓捕獲狀態和可編程的步進驅動紗線肌肉。當斷電時，即使在高達肌肉重量96000倍的負荷下，肌肉也幾乎100%保持任何實現的收縮沖程。致動機制允許在可逆致動期間將行程步進的可編程控制降至 1%。2）實驗結果顯示，紗線肌肉產生的等長應力（最大14.6 MPa，是骨骼肌的40倍）也是能量可自由鎖定的，并且可以高精度地控制步長。重要的是，當完全充電時，肌肉儲存的能量具有102 mAh g-1的高容量，允許肌肉作為電池為二級肌肉或其他設備供電。Ming Ren, et al, Stepwise Artificial Yarn Muscles with Energy-Free Catch States Driven by Aluminum-Ion Insertion, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c05586https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05586
12. ACS Nano：用于5G基站和變壓器散熱的聚苯并唑納米纖維/氮化硼納米片納米復合材料紙
5G設備和高功率密度電子器件的快速發展，要求采用高導熱材料進行散熱。介電聚合物復合材料的電氣絕緣性能、機械性能、熱穩定性甚至防火性能在電氣和電子領域也具有重要的應用價值，因此具有廣闊的應用前景。然而，目前電介質聚合物復合材料的導熱性能提高往往以降低機械和電氣絕緣性能為代價。近日，上海交通大學黃興溢教授利用溶膠-凝膠-薄膜轉換方法，開發了一種具有高導熱和電絕緣的PBONF/BNNS納米復合紙，具有珍珠般的微觀結構。1）不同層的改性BNNS (BNNS- m)通過三維(3D) PBONF網絡連接起來，形成有效的熱傳輸途徑。鑒于2.13 W m?1K?1%?1令人難以置信的熱導增強效率，BNNS-M/PBO紙面內導熱系數達到21.34 W m?1 K?1，填充量僅為10 wt%。此外，BNNS-M/PBO紙具有206 Mpa的超高極限強度，甚至比純PBO紙的力學性能更好。最重要的是，該材料具有高達350 °C的極高耐高溫性能，并在350 °C下保持了33W m?1K?1的優異電絕緣性能和更高的導熱系數。2）作為概念驗證，BNNS-M/PbO納米復合紙被用作第五代(5G)移動網絡基站的熱接口材料(TIM)和變壓器的電絕緣材料，在大功率電氣設備和電子設備的散熱方面顯示出巨大的潛力。Yu Chen, et al, Thermally Conductive but Electrically Insulating Polybenzazole Nanofiber/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Paper for Heat Dissipation of 5G Base Stations and Transformers, ACS NanoDOI: 10.1021/acsnano.2c04534https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04534
