1. Nature Commun.：具有不對稱孔隙率和減阻剖面的高性能Marangoni水凝膠轉子
基于Marangoni效應的微型轉子在推進和發(fā)電方面具有廣闊的應用前景，引起了人們的極大關注。盡管進行了密集的研究，但開發(fā)具有高旋轉產量和燃油經濟性的Marangoni轉子仍然具有挑戰(zhàn)性。為了應對這一挑戰(zhàn)，中科大Dong Wu引入了一種不對稱孔道策略來制造由溫度響應性水凝膠和低表面張力麻醉劑代謝物組成的Marangoni轉子。1）將非對稱孔隙率的增強Marangoni推進和精心設計的葉型減阻相結合，開發(fā)的轉子在旋轉輸出(~15倍)和燃油經濟性(~34%)方面領先于以往的研究。利用溫度響應性水凝膠，轉子在33s內實現(xiàn)快速加油。此外，鐵粉摻雜進一步賦予轉子在磁刺激下的個體特有運動。2）值得注意的是，研究人員展示了包括動能傳輸、微型發(fā)電機和環(huán)境修復在內的多種功能，為設計微型旋轉機械開辟了新的視角，并激勵了機器人學、能源和環(huán)境領域的研究人員。
Wu, H., Chen, Y., Xu, W. et al. High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile. Nat Commun 14, 20 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-35186-5https://doi.org/10.1038/s41467-022-35186-5
2. Nature Commun.：基于黑磷的人機通信界面
涉及聽覺反饋的輔助技術通常由視障或有言語和語言困難的人使用。近日，布拉格化學與技術大學Martin Pumera關注了一種聽覺人機界面，它使用音頻作為在視覺或言語障礙的用戶與社會之間傳遞信息的平臺。1）通過苯系物在棉織物上的簡單化學氧化聚合，研制了一種基于黑磷/聚苯胺(BP@PANI)復合材料的壓阻式觸覺傳感器。2）這種基于BP@PANI的觸覺傳感器利用了BP的褶皺蜂窩狀晶格結構和卓越的電學性能以及廣闊的波紋織物表面，具有優(yōu)異的靈敏度、低壓力靈敏度、合理的響應時間和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。3）對于現(xiàn)實世界的應用，原型設備采用了六個BP@Pani觸覺傳感器，這些傳感器對應于盲文字符，可以在閱讀或打字時將按下的文本轉換為音頻，以幫助視覺或言語殘疾的人。總體而言，這項研究為基于分層和2D材料的人機界面聽覺反饋設備的開發(fā)提供了有前景的候選材料和策略。
Vaghasiya, J.V., Mayorga-Martinez, C.C., Vysko?il, J. et al. Black phosphorous-based human-machine communication interface. Nat Commun 14, 2 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-34482-4https://doi.org/10.1038/s41467-022-34482-4
3. Nature Commun.：具有增強光電導的雙連續(xù)氧化物異質外延
自組裝體系最近引起了廣泛的關注，因為它們可以在納米復合材料中顯示出廣泛的相形態(tài)，為探索新的現(xiàn)象提供了一個新的舞臺。在這些形態(tài)中，基于其高界面體積比和3D互連，雙連續(xù)結構是非常理想的。近日，臺灣陽明交通大學Ying-Hao Chu、威斯康星大學麥迪遜分校Jia-Mian Hu研究了一種雙連續(xù)氧化鎳(NiO)和二氧化錫(SnO2)異質外延納米復合材料。1）通過控制它們的濃度，研究人員制備了從柱子到雙連續(xù)結構的可調諧自組裝納米結構，如具有曲折成分分布的TEM能量色散X射線光譜所證明的那樣。2）實驗觀察到的生長模式與第一性原理計算的結果一致。采用相場模擬方法研究了SnO2：NiO納米復合材料的三維微觀結構形成過程，并提取了用于預測微觀結構形態(tài)的關鍵熱力學參數(shù)。3）此外，在宏觀和微觀上證明了雙連續(xù)SnO2：NiO納米復合材料的光伏性能顯著增強。這項研究展示了一條開發(fā)基于自組裝氧化物的創(chuàng)新太陽能電池和光電探測器設備的途徑。
Shao, PW., Wu, YX., Chen, WH. et al. Bicontinuous oxide heteroepitaxy with enhanced photoconductivity. Nat Commun 14, 21 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-35385-0https://doi.org/10.1038/s41467-022-35385-0
4. Nature Commun.：銳鈦礦型二氧化鈦的表面氧化還原儲鈉
由于鈉的豐富和低成本，鈉離子存儲技術很有希望成為大規(guī)模電網系統(tǒng)的候選技術。然而，與眾所周知的鋰離子存儲機制相比，鈉離子存儲仍然相對未知。近日，廈門大學Qiulong Wei，加州大學洛杉磯分校Bruce Dunn系統(tǒng)地測定了銳鈦礦型二氧化鈦(TiO2(A))的鈉離子存儲性能。1）在初始鈉化過程中，晶態(tài)的TiO2(A)的表面層(~3~5 nm)變得無定形，但仍發(fā)生Ti4+/Ti3+氧化還原反應。提出了一個解釋無定形層的作用和比容量與納米粒子尺寸的關系的模型。2）在高充放電倍率下，約10 nm的非晶態(tài)納米粒子似乎是獲得高比容量的最佳選擇，其比容量約為200 mAh g?1。納米TiO2(A)的動力學研究表明，鈉離子的存儲是由于表面氧化還原機制而不依賴于納米粒子的大小，而不是二氧化鈦(A)的鋰化過程是一個擴散受限的插層過程。3）TiO2(A)的表面氧化還原特性使其具有優(yōu)異的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和低過電位。此外，通過對表面氧化還原機理的調整，使得厚電極的TiO2(A)能夠保持高倍率性能，代表了高功率鈉離子存儲的一個很有前途的方向。
Wei, Q., Chang, X., Butts, D. et al. Surface-redox sodium-ion storage in anatase titanium oxide. Nat Commun 14, 7 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-35617-3https://doi.org/10.1038/s41467-022-35617-3
5. Nature Commun.：高頻納米機電振動法回收氧化的二維MXenes
鑒于其優(yōu)異的電學性能，MXenes具有巨大的潛力。然而，這些有希望的材料的實際應用受到其氧化敏感性的嚴重限制，導致顯著的性能惡化和壽命限制。保存MXenes的嘗試一直受到限制，迄今為止還不可能逆轉這種材料的性能。近日，皇家墨爾本理工大學Leslie Y. Yeo，Amgad R. Rezk發(fā)現(xiàn)，對微米或納米厚度的氧化MXene干膜--即使是由納米級溶液分散的氧化片構成的膜--進行一分鐘10 MHz的納米級機電振動，可以顯著去除其表面氧化層，同時保持其結構和特征。1）重要的是，MXenes電化學性能恢復到接近其原始狀態(tài)：由于氧化，贗電容下降了近50%，恢復到原值的約98%，在10 A g-1下進行10,000次充放電循環(huán)后，容量保持良好(?93%)。研究結果突出了使材料再生以供重復使用的令人興奮的可能性，提供了一種更經濟和可持續(xù)的方法。
Ahmed, H., Alijani, H., El-Ghazaly, A. et al. Recovery of oxidized two-dimensional MXenes through high frequency nanoscale electromechanical vibration. Nat Commun 14, 3 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-34699-3https://doi.org/10.1038/s41467-022-34699-3
6. JACS: 通過缺陷工程增強金屬-有機框架中的動態(tài)光譜擴散
有機發(fā)色團的晶體堆積對其光物理性質有著深遠的影響。而分子晶體工程通常無法產生用于光伏、發(fā)光二極管和傳感器的精確間隔的分子陣列。通過將發(fā)色團并入晶體金屬-有機框架（MOFs）中，使其在約束條件下形成基質配位誘導發(fā)射（MCIE）。然而，目前尚不清楚發(fā)色團和缺陷的精確排列如何決定這些系統(tǒng)的光物理性質，從而限制了光致發(fā)光材料的合理設計。有鑒于此，康奈爾大學Phillip J. Milner、Andrew J. Musser通過缺陷工程增強金屬-有機框架中的動態(tài)光譜擴散。1) 作者報道了由連接體四（4-羧基苯基）乙烯（TCPE4-）構建的新型、魯棒的Zr基MOF，其具有顯著的結構轉變，并且其作為合成期間使用的酸調節(jié)劑（苯甲酸、甲酸或乙酸）量的函數(shù)，可以實現(xiàn)從綠色到藍色光致發(fā)光（PL）的轉變。時間分辨PL（TRPL）測量提供了完整的光譜信息，并揭示了低色移是由于在更高調節(jié)劑濃度下的更高濃度接頭取代缺陷引起的，從而形成更寬的光譜擴散。2) 迄今為止，MOF中尚未報道這種類型的光譜擴散，該結果提供了使用傳統(tǒng)晶體學技術無法獲得的結構信息。最后，缺陷對MOF的光物理性質有著重要的影響，并且它們的存在可以很容易地調整這些材料的能量轉移過程。
Arjun Halder, et al. Enhancing Dynamic Spectral Diffusion in Metal–Organic Frameworks through Defect Engineering. JACS 2023DOI: 10.1021/jacs.2c10672https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c10672
7. JACS：二維π–d共軛金屬-有機框架中的類石墨電荷存儲機制
準二維（2D）全π–d共軛金屬-有機框架（MOF）已被廣泛用作二次電池的活性材料，然而，這些材料中高電荷存儲容量的來源仍然是未知的。一些報告提出了一種假設是在一個有機配體上形成多個自由基的機制，盡管沒有實際的證據(jù)證明這種機制與共振理論相悖。近日，來自名古屋大學的Kunio Awaga，Zhongyue Zhang等人利用各種磁測量技術實現(xiàn)了對2Dπ–d共軛Cu THQ MOF（THQ=四羥基-1,4-苯醌）電化學過程中順磁性物質的形成和濃度的監(jiān)測。1) 在該研究中，完全還原（放電1.5 V）電極的自旋濃度大約為每單位CuO4僅0.1自旋1/2，遠低于預期的“雙自由基”形式，并且，同時觀察到與溫度無關的順磁項顯著升高，這表明在這種放電狀態(tài)下存在離域π電子；2) 此外，第一原理密度泛函理論計算和電化學活性態(tài)密度證實了上述結果，并揭示Cu-THQ-MOF中電荷存儲的微觀機制，因此，該研究提出了一種類似石墨的電荷存儲機制，其中π電子帶在充電/放電過程中接受/提供電子，從而用以解釋Cu-THQ的過量電荷存儲，同時磁性研究表明，這種類石墨電荷存儲機制可以較好地推廣到其他π–d共軛MOF。
Kunio A., et al. Graphite-like Charge Storage Mechanism in a 2D π–d Conjugated Metal–Organic Framework Revealed by Stepwise Magnetic Monitoring. J. Am. Chem. Soc. (2023).DOI: 10.1021/jacs.2c10650https://doi.org/10.1021/jacs.2c10650
8. Angew：有氧環(huán)境下銅卟啉金屬有機框架上促進的光催化CO2還原
中科院化學所Hua Sheng等通過組合兩種二維(2D)材料:g-C3N4和銅卟啉金屬有機框架(MOF)制備了π-π堆積雜化光催化劑。1）這種復合催化劑表現(xiàn)出前所未有的能力，在空氣中O2的典型水平(20%)下將CO2光催化還原為CO和CH4。有趣的是，O2的存在并沒有抑制CO2的還原；相反，與沒有O2時相比，觀察到了5倍的增加。結構分析表明，在有氧預處理期間，2D-MOF部分中的Cu節(jié)點被O2還原產生的羥基羥基化。然后，形成的羥基化Cu節(jié)點在有氧CO2還原期間保持其結構。2）理論計算進一步證明，CO2還原而不是O2還原優(yōu)先發(fā)生在羥基化的Cu節(jié)點上。
Xie, S., et al, Facilitated Photocatalytic CO2 Reduction in Aerobic Environment on a Copper-Porphyrin Metal-Organic Framework. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript.DOI: 10.1002/anie.202216717https://doi.org/10.1002/anie.202216717
9. Angew：超微孔MOFs分離乙醇/水的優(yōu)化篩分效果
高純度乙醇是一種有前途的可再生能源，然而從痕量水中分離乙醇極具挑戰(zhàn)性。德州大學圣安東尼奧分校Banglin Chen等將兩種超微孔MOFs (UTSA-280和Co-方形)用作吸附劑。1）顯著的水吸附和可忽略的乙醇吸附確定了兩種MOF的完美篩分效果。Co-方形在低壓下表現(xiàn)出驚人的吸水能力，超過了已報道的MOFs。單晶X射線衍射和理論計算表明，Co-方形如此優(yōu)異的性能來源于通過孔結構調整優(yōu)化的篩分效果。具有較大菱面體通道的Co-方形適合于曲折的水位點，從而增強了客體-客體和客體-框架的相互作用。2）超純乙醇(99.9%)可以通過乙醇/水混合蒸汽穿過填充有Co-方形的柱子直接獲得，這有助于燃料級乙醇純化的潛力。
Zheng, X., et al, Optimized Sieving Effect for Ethanol/Water Separation by Ultramicroporous MOFs. Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202216710https://doi.org/10.1002/anie.202216710
10. AM：用于小神經接口的4D印刷柔軟可拉伸自折疊袖帶電極
周圍神經接口（PNI）在治療各種疾病，如肥胖癥或糖尿病等方面具有很高的臨床潛力。然而，目前存在的電極對接口程序提出了挑戰(zhàn)，從而限制了它們的臨床應用，特別是當靶向小的周圍神經（<200μm）時。為了改進電極的操作和植入，來自慕尼黑工業(yè)大學的Bernhard Wolfrum等人開發(fā)了一個神經接口，其可以折疊成一個小神經周圍的袖帶，在插入過程中由身體濕氣觸發(fā)。1) 該研究通過使用光聚合印刷柔性聚氨酯印刷樹脂和高度溶脹的丙烯酸鈉水凝膠的雙層來實現(xiàn)這種折疊結構，當浸入含水液體中時，水凝膠發(fā)生膨脹，從而可以將電極輕輕地折疊在神經周圍；2) 此外，由于使用柔軟且可拉伸的印刷樹脂作為基底，并使用微裂紋金膜作為導電層，因此該研究開發(fā)的電極堅固、可拉伸（>20%）并彎曲以便于植入，并且該研究在體內演示了電極的直接植入和提取以及對小周圍神經的刺激和記錄能力。
Bernhard W., et al. 4D Printed Soft and Stretchable Self-folding Cuff Electrodes for Small-nerve Interfacing. Adv. Mater. (2023).DOI: 10.1002/adma.202210206https://doi.org/10.1002/adma.202210206
11. AM：用于光固化3D打印顆粒增強復合網絡的三重融合上轉換
高能光子（λ<400 nm）經常用于引發(fā)自由基聚合以形成聚合物網絡，但僅對透明物體有效。這一現(xiàn)象對顆粒增強復合網絡的增材制造提出了重大挑戰(zhàn)，因為短波光子的深穿透限制了物理化學和機械性能的改進。近日，來自華盛頓大學的Alshakim Nelson，哥倫比亞大學Luis M. Campos等人采用了非常規(guī)但多用途的三重態(tài)-三重態(tài)湮滅上轉換（TTA-UC）多激子工藝，用于固化通過直接噴墨（DIW）3D打印創(chuàng)建的不透明水凝膠復合材料，在改變復雜DIW 3D打印復合聚合物網絡的化學和機械性能方面具有較大的潛力。1) 在該研究設計的TTA-UC多激子工藝中，TTA-UC將用于深度穿透的低能紅光（λmax=660 nm）轉換為高能藍光，以在不透明物體內引發(fā)自由基聚合；2) 此外，作為原理證明，研究引入了含有高達15%的 TiO2填料顆粒并摻雜有TTA-UC發(fā)色團的水凝膠從而實現(xiàn)紅光固化，而沒有發(fā)色團和TiO2低負載量（1–2 ）%的復合材料保持未固化的狀態(tài)。
Alshakim N., et al. Triplet Fusion Upconversion for Photocuring 3D Printed Particle-Reinforced Composite Networks. Adv. Mater. (2023).DOI: 10.1002/adma.202207673https://doi.org/10.1002/adma.202207673
12. AEM：用原位技術闡明MXenes電極的充電機制和耦合結構-力學行為
十年前Ti3C2Tx化合物(MXenes)的發(fā)現(xiàn)為高速儲能應用開辟了新的研究方向和寶貴的機會。MXenes具有容納各種一價和多價陽離子的獨特能力，并且在不同的電解質環(huán)境(包括水、有機和離子液體溶液)中具有高穩(wěn)定性，這促進了用于各種應用的先進MXene基電極的快速發(fā)展。與絕大多數(shù)典型的嵌入化合物不同，MXene電極的電化學性能受共嵌入溶劑分子的存在的強烈影響，這不能通過常規(guī)的電流/電勢電化學測量來檢測。此外，離子電化學插入MXene空隙導致與極化MXene電極中嵌入誘導的結構、尺寸和粘彈性變化的強耦合。為了闡明MXene系統(tǒng)的充電機制及其相關現(xiàn)象，近年來已經提出使用各種各樣的實時監(jiān)控技術。以色列巴伊蘭大學Doron Aurbach、希伯來大學Netanel Shpigel、代爾夫特理工大學Xuehang Wang和阿拉法拉比國立大學Fyodor Malchik等綜述了通過原位研究獲得的與Ti3C2Tx電極充電機制及其潛在誘發(fā)結構和力學現(xiàn)象相關的最基本的發(fā)現(xiàn)。1）本綜述的第一部分是Ti3C2Tx電極在水基電解質溶液中的原位表征，包括I)酸性ii)中性iii)高濃度溶液以及iv)非水電解質。一個單獨的部分集中在v)使用原位工具來探測充電過程中由陽離子插入引起的MXene電極的機械性能。2）最后，在第iv)節(jié)中，作者討論了當前在理解MXene電極在不同操作環(huán)境中的充電機制以及使用各種補充分析工具來擴展和加深我們對其行為的了解方面所面臨的挑戰(zhàn)。
Bergman, G., et al, Elucidation of the Charging Mechanisms and the Coupled Structural–Mechanical Behavior of Ti3C2Tx (MXenes) Electrodes by In Situ Techniques. Adv. Energy Mater. 2023, 2203154.DOI: 10.1002/aenm.202203154https://doi.org/10.1002/aenm.202203154
