1. Sci. Adv.：通過將界面和晶界轉化成堅固且不溶于水的低維鈣鈦礦來包裹鈣鈦礦晶粒
穩定鈣鈦礦太陽能電池需要考慮器件中的所有缺陷位置。目前，人們在界面方面付出了極大研究，而晶界的穩定性卻沒有得到太多的關注。近日，北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授報道了一種分子三丁基(甲基)碘化膦(TPI)，可以將鈣鈦礦轉化為機械強度高、不溶于水的一維(1D)寬禁帶鈣鈦礦結構。1）將TPI與鈣鈦礦前驅體混合后，形成的鈣鈦礦顆粒被包裹，通過直接映射觀察到，在顆粒形成過程中，顆粒表面和晶界都轉變為幾個納米厚度的一維鈣鈦礦。2）顆粒包裹鈍化了晶界，增強了它們的防潮性，并減少了光浸泡過程中釋放的碘。此外，包復顆粒的鈣鈦礦膜在光和熱條件下更穩定。3）最佳的包裹顆粒的器件在55 °C開路條件下，在1太陽光照下浸泡1900小時后，其最高效率保持在92.2%。Haoyang Jiao, et al, Perovskite grain wrapping by converting interfaces and grain boundaries into robust and water-insoluble low-dimensional perovskites, Sci. Adv. 8, eabq4524 (2022) DOI: 10.1126/sciadv.abq4524https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4524
2. Sci. Adv.：一種基于氣液兩相流的超高輸出功率摩擦納米發電機
固-液摩擦納米發電機(SL-TENG)在水資源能源收集和應用方面顯示出良好的應用前景。然而，固-液帶電時接觸分離速度低、接觸面積小、接觸時間長等缺點嚴重限制了其輸出性能和進一步的應用。近日，中科院蘭州化物所Daoai Wang，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所的研究人員開發了一種結合CE和擊穿效應的新的基于氣液兩相流的TENG (GL-TENG ),實現了867 μA的高電流輸出和3789 V的高電壓輸出，這分別是用受控器件獲得的結果的大約430倍和1890倍。1）1.0ml液體的GL-TENG可以直接給1500個LEDs供電。2）通過利用氣液兩相流的流變特性和類似文丘里管的設計，可以通過連續的氣液兩相流排放實現連續穩定的高性能輸出。在這種高輸出功率下，串聯四個GL-TENG器件的輸出可以連續驅動一個24 W的商用燈。3）這項工作不僅刷新了SL-TENGs的電壓輸出和體積電荷密度記錄，而且提出了一種新的基于氣液兩相流的發電機模型，可以提供一種從水中高效收集可再生和清潔能源的策略。Yang Dong et al, Gas-liquid two-phase flow-based triboelectric nanogenerator with ultrahigh output power, Sci. Adv. 8, eadd0464 (2022) DOI: 10.1126/sciadv.add0464https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0464
3. Sci. Adv.：一種具有用于滑動觸覺感知的機械門控電子通道的仿生機器人皮膚
類似人類的觸覺對于提升機器人智能至關重要。然而，再現人類皮膚的切向“滑動”感知仍在研究中。近日，西安交通大學邵金友教授，Xiaoliang Chen受機械感覺細胞的側向門控機械感覺機制（通過側向張力誘導離子通道的開閉來感知機械刺激）的啟發，報道了一種具有機械門控電子通道的機器人皮膚(R-skin)，通過金字塔人工指紋觸發的電子門（E-gates，即嵌入網狀電子通道內的定制V形裂縫）的開閉來實現超靈敏和快速響應的滑動觸覺感知。1）通過模仿細胞膜來調節膜力學，局部應變在E-gate處被增強以有效地調節電子路徑以獲得高靈敏度，而在其他位置被削弱以抑制隨機裂縫以獲得魯棒的穩定性。2）R-skin可以在超過人類的響應頻率(485 Hz)下直接識別超細表面微結構(5 μm ),并實現類似人類的滑動感知功能，包括靈巧地辨別復雜形狀物體的紋理，并為抓握提供實時反饋。Sheng Li, et al, Bioinspired robot skin with mechanically gated electron channels for sliding tactile perception, Sci. Adv. 8, eade0720 (2022)DOI: 10.1126/sciadv.ade0720https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0720
4. Nature Commun.：連通世界中的量子物理學
對多體量子系統的理論研究主要集中在規則結構上，這種結構有一個小而簡單的晶胞，其中只有極小部分的成分對直接相互作用。受多體模擬器中控制成對相互作用的進展的推動，我們在更一般的任意圖上確定自旋系統的命運。將最小可能的約束放在下面的圖上，我們證明，在熱力學極限確定的情況下，這樣的系統如何表現得像一個單一的集體自旋。因此，我們理解復雜的多體物理的出現依賴于“特殊的”、幾何約束的結構，如自然界中發現的低維、規則的結構。在稠密圖的空間中，牛津大學Joseph Tindall等通過它們的不均勻性來識別迄今未知的異常，并觀察復雜性是如何通過糾纏和高度不均勻的相關函數在這些系統中預示的。1）作者通過用一種全新的方法處理多體問題來糾正這一點。作者取一個一般的自旋s哈密頓量，它包含了一系列著名的多體模型，并把幾何形狀作為一個參數本身，把它編碼在一個潛在的圖形中，自旋駐留在這個圖形上并通過邊相互作用。然后，當在圖上放置不同級別的約束時，作者揭示系統的物理特性。首先，作者在圖上放置最小可能的約束，并證明在從所有可能的簡單圖中均勻隨機選擇的圖的熱平衡中，幾乎肯定不存在多體物理，只有集體的平均場物理是可能的。2）作者的工作為發現和開發一整類可以容納獨特復雜物質相的幾何鋪平了道路。Tindall, J., Searle, A., Alhajri, A. et al. Quantum physics in connected worlds. Nat Commun 13, 7445 (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-35090-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-022-35090-y5. Nature Commun.：通過電紡納米纖維片從儲存的紅細胞中間歇地清除儲存損傷提高了它們的質量和保存期健康紅細胞(RBCs)的輸血是一個拯救生命的過程。然而，在儲存紅細胞時，會產生多種與損傷相關的分子模式(DAMPs)，如無細胞DNA、核小體、游離血紅蛋白和多不飽和脂肪酸。潮濕會進一步損害紅細胞；因此，儲存的紅細胞在儲存期間質量下降，并限制了它們的保存期。印度干細胞科學和再生醫學研究所Praveen Kumar Vemula等開發了含有牛磺酸和吖啶的電紡納米纖維片(Tau-AcrNFS)，其特征在于陰離子、陽離子電荷和表面上的DNA嵌入基團。1）作者的研究表明，原位產生的DAMPs導致了紅細胞的加速退化。作者建立了一種新的方法，通過間歇性清除儲存損傷來減緩儲存紅細胞的損傷。將來，在輸血前用納米纖維片進行處理可以顯著降低DAMPs并防止輸血相關的復雜性。此外，間歇處理為保持紅細胞質量增加了一個新的層面。最后，作者的研究確立了儲存期間清除濕氣的概念，從而提高了紅細胞的質量和保質期。2）此外，帶電電紡納米纖維片的使用可能導致新型血袋或基于插入物的醫療裝置的發展。因此，它可以通過提高紅細胞輸血質量而對醫療保健產生重大影響。Pandey, S., Mahato, M., Srinath, P. et al. Intermittent scavenging of storage lesion from stored red blood cells by electrospun nanofibrous sheets enhances their quality and shelf-life. Nat Commun 13, 7394 (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-35269-3https://doi.org/10.1038/s41467-022-35269-3
6. Acc. Chem. Res.綜述：探索多功能氫鍵有機骨架材料
氫鍵有機骨架材料（HOFs）為開發多功能材料提供了新的維度和廣闊的前景。它們可以很容易地由相應的具有不同功能中心的有機分子自組裝而成，例如用于氫鍵的羧酸和胺基，以及用于穩定骨架的π???π弱相互作用的芳香族分子。與沸石、金屬?有機骨架(MOF)和共價?有機骨架(COF)等已建立的多孔材料相比，由于氫鍵通常弱于離子鍵、配位鍵和共價鍵，穩定HOF從而建立其永久孔道要困難得多。但它提供了HOF材料的獨特之處，在這種材料中，它們可以通過簡單的再結晶輕松地回收和再生。霍夫材料也可以容易和直接地加工，并且與生物分子非常兼容，使它們在工業和生物醫學應用中具有潛在的非常有用的材料。氫鍵的可逆性和弱成鍵特性很容易被用來構建柔性的多孔HOF材料，在這種材料中，我們可以調節溫度和壓力來控制它們的孔隙率，從而使它們在氣體分離、氣體儲存、藥物輸送和傳感等方面得到廣泛的應用。一些特定的有機官能團對氫鍵的形成具有很強的方向性，例如，羧酸更喜歡形成定向二聚體，這使得我們能夠很容易地構建孔洞可以系統調節的網狀多孔HOF材料。近日，福建師范大學張章靜教授，德克薩斯大學圣安東尼奧分校陳邦林教授概述了課題組探索這種新型多孔材料的整個歷程，在2011年開發了第一批多孔HOFs，從而開發了它的各種應用。1）研究人員已經能夠使用具有不同功能中心的有機分子，包括2，4-二氨基三嗪(DAT)、羧酸(COOH)、醛(CHO)和氰基(CN)來構建多孔HOFs。2）通過調節孔徑，引入特定的結合部位，利用骨架的柔性，實現了一系列用于C2H2/C2H4，C2H4/C2H6，C3H6/C3H8，C2H2/CO2，CO2/N2，Xe/Kr氣體分離和醇的對映選擇性分離的HOF材料。3）為了利用具有光學活性的有機分子，研究人員開發了用于其發光傳感和光學激光的高性能光纖材料。對多功能HOF材料的研究成果在化學和材料科學界引發了對這一新興研究課題的廣泛研究。作者指出，不久的將來不僅將開發更多的高性能材料，而且很快將實現超出想象的新功能。Zhangjing Zhang, et al, Exploring Multifunctional Hydrogen-Bonded Organic Framework Materials, Acc. Chem. Res., 2022DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00686https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00686
7. Matter：一種溶劑錨定的不可燃電解質
鋰電池在現代能源供應系統中隨處可見。然而，電解液的揮發性和易燃性仍然是一個重大安全挑戰。近日，斯坦福大學崔屹教授，鮑哲南教授報道了錨定的溶劑分子可以增加電解液的離子傳導性，而不會破壞其不可燃性。1）研究人員開發了一種由LiFSI鹽、二甲氧基乙烷(DME)溶劑和帶有離子溶劑化部分的聚硅氧烷組成的液態聚合物電解質。2）二甲醚與鹽和聚合物配位，同時，它們與鹽一起協同增塑聚合物，以增加離子導電性。3）得到的不可燃聚合物電解質具有1.6 mS/cm的室溫離子電導率和25-100 ℃的寬操作窗口。得益于其液體性質，該電解質可以與商業上可用的電極配對，而不需要進一步的電池工程。這項工作擴大了聚合物電解質的離子電導率范圍，并為下一代安全可制造的電解質提供了一條有希望的設計途徑。Huang et al., A solvent-anchored non-flammable electrolyte, Matter (2022)DOI：10.1016/j.matt.2022.11.003https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.003
8. Matter：在可拉伸水凝膠中模擬的短期可塑性、多模式記憶和邏輯反應
可伸展水凝膠是通過離子信號與生物界面相互作用而發展起來的。然而，人工水凝膠的智能遠遠不如生物系統那么強大。在信號轉導中，沒有通道來調節復雜的離子流，因此現有的塊狀水凝膠缺乏以邏輯方式處理和記憶信息的能力。近日，東華大學武培怡課題組受跨細胞膜的離子通道用于信號處理的啟發，開發了不對稱的三聚體水凝膠來模擬生物智能，包括離子選擇性、短期可塑性、多模式記憶和邏輯反應。1）提出了一種受生物啟發的不對稱三聚體設計，以模擬生物感覺神經系統中的離子通道。不對稱三聚體水凝膠建立了仿生的內部電場。因此，它允許對離子流進行時空操作來識別、處理和記憶信息，從而實現塊狀水凝膠尚未展示的短期可塑性和多模式記憶。2）此外，透明三聚體水凝膠在大變形下穩定工作，克服了傳統電子器件遇到的光學和機械限制。三聚體水凝膠的尺寸/變形不敏感性也突顯了在廣泛的形態結構中實施我們的仿生設計的總體可行性。3）本工作中的不對稱三聚體設計也適用于各種聚合物和水凝膠。具有不同內部電場的不同水凝膠為先進的水凝膠邏輯電路鋪平了道路，這些電路可以直接和無縫地與生物系統通信。軟質、可伸展和智能材料與生物組織的共同整合是可以預見的。這項工作將有助于水凝膠離子電子學的仿生設計和應用，并將塑造軟質和智能材料的未來。Lei and Wu, Short-term plasticity, multimodal memory, and logical responses mimicked in stretchable hydrogels, Matter (2022)DOI：10.1016/j.matt.2022.11.001https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.001
9. EES：面向千瓦級實用型有機液流電池的空氣穩定亞甲基藍正極
與傳統的液流電池相比，水性有機液流電池(AOFBs)具有元素豐富、可裁剪等獨特優勢，但獲得空氣穩定、高性能的電解液仍是其實用化的主要挑戰之一。一般情況下，有機電解液的穩定性與有機氧化還原物種的結構和電解液環境有關。近日，中科院大連化物所李先鋒研究員，Changkun Zhang，大連交通大學Jie Fu基于原位核磁共振和非原位EPR譜對MB電解液氧化還原反應機理的分析表明，MB電解液中的抗氧自由基MBH22+·和還原狀態HMBH22+對MB電解液的可逆性起重要作用，這可歸因于在酸性溶液中MB骨架上強烈的自旋離域。1）V-MB單電池暫停循環(12-48 h)實驗表明，MB電解液在空氣中具有良好的化學穩定性和電化學穩定性。基于MB電解液的10個單元、1000 cm2的FB電堆在0.5 V下的放電功率大于1 kW，循環一個月以上的容量保持穩定。2）高溫下的分子加速衰減測試表明，還原狀態的HMBH22+表現出超高的穩定性。雖然原始MB的副反應在70 °C時很嚴重，但大多數分解的分子仍然保留著氧化還原中心，只有輕微的容量衰減。本工作中優異的性能和穩定的MB電解液為高性能AOFBs的大規模儲能實用化鋪平了道路。Yonghui Zhang, et al, Insight into Air-stable Methylene Blue Catholyte towards kW-scale Practical Aqueous Organic Flow Batteries, Energy Environ. Sci., 2023https://doi.org/10.1039/D2EE03051A
10. EES：靶向缺陷鈍化固-固化學鍵合助力高效鈣鈦礦光伏電池
溶液處理的表面缺陷鈍化使得鈣鈦礦太陽能電池近年來取得了顯著的進展。近日，與溶液處理不同，北京大學Qing Zhao提出了無溶劑固相鈍化（SPP ）,使用鈍化劑分子在預先制備的固態膜上結合表面未配位的Pb2+缺陷。1）研究發現即使去除了鈍化劑膜，精心選擇的鈍化劑也會錨定在鈣鈦礦膜表面的缺陷位點上，這是由于其與未配位的Pb2+缺陷的強配位能力。2）這種獨特的定向缺陷鈍化大大降低了載流子非輻射復合損耗，提供了1.20 V的高VOC（電壓損耗僅為0.34V）。因此，PSCs的功率轉換效率(PCE)從22.37%大幅提高到24.65%。3）1 cm2的SPP基PSC也表現出超過23%的高PCE。此外，在氮氣中儲存2300 h和在最大功率點跟蹤800 h后，未包裹的PSCs分別保持了98%和92%的初始效率。Chao Luo, et al, Solid–solid chemical bonding featuring targeted defect passivation for efficient perovskite photovoltaics, Energy Environ. Sci., 2023https://doi.org/10.1039/d2ee02732a
11. EES綜述：環保型有機光伏器件設計與印刷技術進展
近年來，綠色溶劑處理有機太陽能電池(OSCs)在商業化方面表現出了顯著的優勢。然而，綠色溶劑的低溶解度和高沸點給形貌的探索和調整帶來了困難，最終不利于光伏性能。近日，南昌大學陳義旺教授，Xiaotian Hu綜述了綠色溶劑處理有機硅的最新研究進展。1）作者首先討論了Hansen溶解度參數、B.P.、粘度和表面張力等因素在綠色加工溶劑選擇中的作用。2）在此基礎上，進一步討論了添加策略、三元策略、預聚體策略、共溶劑策略等策略在優化綠色溶劑處理有機硅材料活性層膜形態中的作用。并對每種策略的作用機理、優缺點進行了說明。3）作者最后展望了環保型OSCs器件的未來發展方向。Haojie Li, et al, Advances toward the Device Design and Printing Technology for Eco-friendly Organic Photovoltaics, Energy Environ. Sci., 2023https://doi.org/10.1039/D2EE03246E
12. Angew：具有不同亞胺鍵取向和不同光催化活性的異構寡(亞苯基亞乙烯基)基共價有機框架
亞胺連接的共價有機骨架(COFs)因其易于合成和優異的結晶度而在光催化領域得到了廣泛的研究。然而，亞胺鍵取向對COFs光催化性能的影響仍然很少研究。近日，四川大學李龍玉教授，Shijie Ren報道了通過席夫堿縮合反應，基于具有不同亞胺鍵取向的低聚(亞苯基亞乙烯基)結構(OPV)合成了兩種新的亞胺連接的COFs(記為COF-923和COF-932)。1）首先，研究人員證明了基于OPV的分子可以用于制備高度結晶和多孔的COFs，盡管事實上乙烯部分比剛性亞苯基環和乙炔基團產生更多的分子構象。研究人員通過實驗和模擬的粉末X射線衍射(PXRD)圖案、傅立葉變換紅外(FTIR)光譜、固態13C核磁共振(NMR)光譜和N2吸附-解吸測量表征了兩種COFs的結構。2）光催化析氫測試提供了進一步的證據，證明了兩種異構COFs之間的巨大差異。3）研究人員通過穩態熒光光譜(PL)、瞬態光致發光(TPL)光譜、光電流(i-T)和電化學阻抗(EIS)系統地研究了光催化機理。這項工作不僅詳細闡明了結構-活性之間的關系，而且為優化COFs的性質提供了見解。Wenbo Dong, et al, Isomeric Oligo(Phenylenevinylene)-Based Covalent Organic Frameworks with Different Orientation of Imine Bonds and Distinct Photocatalytic Activities, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202216073DOI: 10.1002/anie.202216073https://doi.org/10.1002/anie.202216073
