1. Nature Materials：探測固體電解質表面的鋰遷移率
固態(tài)電解質克服了當今鋰離子電池的許多挑戰(zhàn)，例如安全隱患和枝晶形成 。然而，由于缺乏具有化學和界面特異性的原位測量，因此缺乏對所涉及的鋰動力學的詳細了解。在這里，加州大學伯克利分校Michael Zuerch，Tod A. Pascal?使用線性和非線性極紫外光譜研究了一種原型固態(tài)電解質。1）研究人員利用極紫外二次諧波產生光譜的表面靈敏度，我們獲得了表面鋰離子的直接光譜特征，顯示出相對于體吸收光譜的明顯藍移。2）第一性原理模擬將這一轉變歸因于Li1?s態(tài)向表面雜化Li-s/Ti-d軌道的躍遷。進一步的計算表明，由于低頻響應模的抑制，鋰的界面遷移率降低，這是這種材料中大的界面電阻的根本來源。研究發(fā)現為通過鋰離子的界面工程開發(fā)這些電化學器件的新的優(yōu)化策略鋪平了道路。
Woodahl, C., Jamnuch, S., Amado, A. et al. Probing lithium mobility at a solid electrolyte surface. Nat. Mater. (2023).DOI：10.1038/s41563-023-01535-yhttps://doi.org/10.1038/s41563-023-01535-y
2. Nature Electron：一種用于多模式傳感、記憶和處理的有機電化學晶體管
通過整合感知、記憶和處理功能，生物神經系統(tǒng)是能量和面積有效的。然而，在人工系統(tǒng)中模擬這種能力是具有挑戰(zhàn)性的，并且受到傳感和處理核心的設備異構性的限制。近日，西安交通大學馬偉教授，香港大學Zhongrui Wang報道了一種具有傳感、記憶和處理功能的有機電化學晶體管。1）該設備具有垂直橫向架構和晶體-非晶態(tài)通道，可以選擇性地摻雜離子，以實現兩種可重新配置的模式：揮發(fā)性受體和非揮發(fā)性突觸。2）作為一種揮發(fā)性受體，該設備能夠進行多模式傳感，并對離子和光等刺激做出反應。作為一種非易失性突觸，它具有10比特的模擬狀態(tài)、較低的切換隨機性和良好的狀態(tài)保持能力。3）研究還表明，設備的均勻集成可以提供條件反射等功能，并可以用于通過水庫計算進行實時心臟疾病診斷。
Wang, S., Chen, X., Zhao, C. et al. An organic electrochemical transistor for multi-modal sensing, memory and processing. Nat Electron 6, 281–291 (2023).DOI：10.1038/s41928-023-00950-yhttps://doi.org/10.1038/s41928-023-00950-y
3. Nature Commun.：鎳納米晶體上的連貫六方鉑金表層可增強析氫活性
亞穩(wěn)態(tài)貴金屬納米晶體可能表現出獨特的催化性能，以解決許多重要過程的緩慢動力學問題，包括堿性條件下電解水制氫的析氫反應。然而，亞穩(wěn)態(tài)貴金屬納米晶體的探索仍處于起步階段，缺乏足夠的合成和電子工程策略來充分激發(fā)其催化潛力。基于此，西安交通大學Chuanbo Gao，蘇州大學Tao Cheng，上海科技大學Qing Zhang通過克服電置換反應在hcp-Ni納米晶體上合成了相干的亞穩(wěn)態(tài)hcp-Pt相，并揭示了其獨特的電子特性和顯著改善的堿性HER催化活性。1）首先合成了具有hcp相的支鏈Ni納米晶體。Pt在這些hcp-Ni納米支鏈上相干生長的關鍵是引入油胺作為強配體，這顯著降低了Pt鹽的還原電位，從而降低了它通過電置換與Ni納米支鏈反應的趨勢。2）雖然Pt在Ni納米支鏈的(0001)面上保留其fcc相和本征晶格尺寸，但它成功地在非(0001)面上復制了Ni納米支鏈的hcp相，其中d0002間距垂直于(0001)平面縮小到Ni基板，在hcp-Pt皮膚中顯示出強烈的壓縮應變。結構精準的核殼納米結構進一步允許從Ni核到Pt表層的逐層電子轉移。因此，hcp-Pt表皮的電子結構可以被Ni核有效地調制。此外，在hcp-Pt皮膚上形成了豐富的步驟位點，繼承自獨特的樹枝狀hcp-Ni模板。3）實驗和密度泛函理論(DFT)計算證實，Pt表層的亞穩(wěn)hcp相、獨特的核-殼電子相互作用和表面階躍位點顯著降低了堿性HER的能壘，將催化活性推向了高水平。這項工作為開發(fā)一類具有可設計相、獨特電子性能和低成本的核殼結構貴金屬催化劑鋪平了道路，為設計用于能量轉換的高效催化劑提供了新的機會。
Liu, K., Yang, H., Jiang, Y. et al. Coherent hexagonal platinum skin on nickel nanocrystals for enhanced hydrogen evolution activity. Nat Commun 14, 2424 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-38018-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-38018-2
4. Nature Commun.：3D 打印和處理具有近乎原始壓電陶瓷的微型換能器用于局部空化
超聲波換能器的性能在很大程度上取決于其有源元件的壓電特性和幾何形狀。由于壓電陶瓷的脆性，現有的壓電元件加工工具只能實現簡單的幾何形狀，包括平面圓盤、圓柱體、立方體和環(huán)形。雖然增材制造的進步促進了壓電陶瓷的自由成型制造，但由此產生的換能器存在高孔隙率、弱壓電響應和有限的幾何靈活性等問題。近日，加州大學伯克利分校Xiaoyu (Rayne) Zheng引入了優(yōu)化的壓電陶瓷印刷和加工策略，以生產在超聲波頻率下運行的高響應壓電微換能器。3D打印的致密壓電元件實現了高壓電系數和復雜的架構。1）3D打印壓電陶瓷的壓電電荷常數d33和耦合因子kt達到583pC/N和0.57，接近原始陶瓷的特性。2）換能器封裝材料的集成打印和具有微結構的3D打印壓電陶瓷為微型化壓電超聲換能器創(chuàng)造了機會，能夠在毫米大小的通道內進行聲學聚焦和局部空化，從而產生能夠實現廣泛生物醫(yī)學應用的微型超聲設備。
Lu, H., Cui, H., Lu, G. et al. 3D Printing and processing of miniaturized transducers with near-pristine piezoelectric ceramics for localized cavitation. Nat Commun 14, 2418 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37335-whttps://doi.org/10.1038/s41467-023-37335-w
5. Nature Commun.：仿生人造蜘蛛絲光催化劑用于細菌氣溶膠的高效捕獲和滅活
生物氣溶膠會導致疾病傳播，因此，捕獲和滅活生物氣溶膠是可取的。然而，過濾系統(tǒng)很容易被堵塞，并且一旦捕獲生物氣溶膠，通常無法將其滅活。在此，廣東工業(yè)大學Taicheng An報道了一種仿生人造蜘蛛絲(ASS)光催化劑，它由尼龍纖維上的TiO2周期性紡錘體結構組成，可以有效捕獲和濃縮空氣中的細菌，然后在沒有電源排氣系統(tǒng)的情況下進行原位光催化滅活。1）ASS光催化劑表現出比尼龍纖維基底更高的捕獲能力，并且在4小時的照射下獲得了99.99%的光催化失活效率。2）研究發(fā)現ASS光催化劑的捕獲能力主要歸因于親水性、紡錘體節(jié)大小引起的拉普拉斯壓力差和表面粗糙度引起的表面能梯度的協(xié)同效應。進一步，被ASS光催化劑捕獲的細菌被液滴內或空氣/光催化劑界面處的光催化作用滅活。
Peng, L., Wang, H., Li, G. et al. Bioinspired artificial spider silk photocatalyst for the high-efficiency capture and inactivation of bacteria aerosols. Nat Commun 14, 2412 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-38194-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-38194-1
6. Nature Commun.：Cu2Se 基材料高熱電性能的復合效應
熱電材料可實現熱能與電能的直接轉換，顯示出良好的余熱回收潛力。Cu2Se是典型的超離子導體熱電材料，具有非凡的ZT值，但其超離子特性導致使用穩(wěn)定性差和遷移率低。在這里，清華大學林元華教授，北京化工大學Jin-Le Lan報道了一種自蔓延高溫合成的快速制備方法，以實現BiCuSeO和Cu2Se的原位復合，以優(yōu)化穩(wěn)定性。1）通過在這些復合材料中引入石墨烯來使用界面設計，可以明顯提高載流子遷移率，并且強烈的聲子散射可以導致較低的晶格熱導率。2）最終，Cu2Se-BiCuSeO-石墨烯復合材料表現出優(yōu)異的熱電性能，在1000 K時的ZTmax值為~2.82，在473 K至1000 K時的ZTave值為~1.73。這項工作提供了一種簡便有效的策略來大幅提高性能Cu2Se基熱電材料的研究，可進一步應用于其他熱電系統(tǒng)。
Zhou, Z., Huang, Y., Wei, B. et al. Compositing effects for high thermoelectric performance of Cu2Se-based materials. Nat Commun 14, 2410 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-38054-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-38054-y
7. Nature Commun.：利用水凝膠貼片利用 CO/NO 氣體的協(xié)同作用進行軟組織移植
自體皮瓣移植是修復由癌癥、外傷和先天性畸形引起的復雜軟組織缺損的常用方法。有限的供血范圍和移植后的缺血再灌注損傷可導致皮瓣遠端壞死和長期功能喪失，嚴重制約最佳手術方案的決策。近日，吉林大學張俊虎教授，Shoujun Zhu，Laijin Lu開發(fā)了一種用于按需釋放CO和NO氣體的水凝膠貼片（CN-Patch）。1）研究人員將攜帶4-甲氧基苯乙酮（4-MAP，可捕獲NO并延長NO釋放期）的明膠納米球(GNs)(GNs-4-MAP)裝入凝膠中。2）經典的CO/NO釋放分子Ru(CO)3Cl(甘氨酸鹽)(CORM-3)和S-亞硝基谷胱甘肽(GSNO)分別被選為CO和NO供體。3）使用大鼠游離皮瓣移植和血管吻合模型，驗證了CN-Patch在早期和長期移植期間實現移植組織有效血液灌注的能力。
Tang, X., Ren, J., Wei, X. et al. Exploiting synergistic effect of CO/NO gases for soft tissue transplantation using a hydrogel patch. Nat Commun 14, 2417 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37959-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-37959-y
8. Angew：克服用于高效發(fā)光二極管的鈣鈦礦納米晶體發(fā)射體的環(huán)境可制造性-性能瓶頸
膠體鈣鈦礦納米晶體（NCs）的發(fā)光效率和色純度迅速提高。然而，它們的高性能需要對前體進行仔細而復雜的預處理以及對反應氣氛的精確調節(jié)；否則，它們的發(fā)射將是微弱而廣泛的。為了克服這些限制，吉林大學Weitao Zheng，Xiaoyu Zhang開發(fā)了一種使用新型雙齒配體的簡便配體交換方法，這種雙齒配體是通過廉價的硫與三丁基膦(S-TBP)反應獲得的。1）在配體交換過程中，P和S原子之間的雙鍵斷裂并在它們之間形成單鍵，之后S-TBP轉變?yōu)殡p齒配體并在兩個點上與鈣鈦礦NC結合。2）研究人員使用具有高空間位置電阻的短鏈S-TBP配體，可以減少NC間距和表面配體密度，從而改善載流子注入和傳輸。在配體交換后的NC表面上，鹵素空位基本上被填充，導致PbSP（Pb、S和P元素）組分占主導地位的殼層大大降低了陷阱密度并提高了材料穩(wěn)定性。3）所得鈣鈦礦NC穩(wěn)定且明亮，光致發(fā)光量子產率約為96%，外量子效率為22%。此外，即使在擴大規(guī)模時，配體交換策略仍然有效，這有望加速商業(yè)化。
Wenxu Yin, et al, Overcoming the Ambient Manufacturability-Performance Bottleneck in Perovskite Nanocrystal Emitters for Efficient Light Emitting Diodes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303462DOI: 10.1002/anie.202303462https://doi.org/10.1002/anie.202303462
9. Angew：綠色、通用、低成本亞公斤級多孔有機聚合物的合成及其催化和二氧化碳捕集
具有高孔隙率和可調功能的多孔有機聚合物(POP)已被廣泛研究用于氣體分離、催化、能量轉換和能量存儲。然而，有機單體的高成本，以及合成過程中使用有毒溶劑和高溫對大規(guī)模生產造成了障礙。在此，烏普薩拉大學Chao Xu，中科院福建物構所Qiao-Hong Li報道了在綠色溶劑中使用廉價的二胺和二醛單體合成亞胺和縮醛胺連接的持久性有機污染物。1）理論計算和控制實驗表明，使用間二胺對于從[2+2]縮聚反應形成胺基鍵和分支多孔網絡至關重要。2）該方法具有良好的通用性，成功地從不同的單體合成了6種持久性有機污染物。3）研究人員在室溫下擴大了乙醇中的合成，從而以相對較低的成本生產亞千克數量的持久性有機污染物。概念驗證研究表明，持久性有機污染物可用作CO2分離的高性能吸附劑和高效多相催化的多孔基質。該方法為大規(guī)模合成各種持久性有機污染物提供了一種環(huán)境友好且具有成本效益的方法。
Dan Luo, et al, Green, General and Low-cost Synthesis of Porous Organic Polymers in Sub-kilogram Scale for Catalysis and CO2 Capture, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305225DOI: 10.1002/anie.202305225https://doi.org/10.1002/anie.202305225
10. ACS Nano：可生物降解的特定氣候包裝材料的設計可感知食品變質并延長壽命
由于人口迅速增加和極端環(huán)境條件限制了包裝技術延長食品保質期和保障食品安全的效力，熱帶氣候下的農業(yè)食品系統(tǒng)正面臨壓力。為了應對這些挑戰(zhàn)，麻省理工學院Benedetto Marelli，Michael S. Strano合理地設計了可生物降解的包裝材料，可感知腐敗并防止成型。1）研究人員將2D共價有機骨架(COF)的界面納米化，以增強絲素蛋白(SF)，獲得具有增強機械性能的生物可降解膜，并以包裝家禽為例，顯示出對食品腐敗的即時比色反應(在1s內)。2）在COF中加入抗菌劑己醛還可以減輕高溫和潮濕條件下的生物腐敗，導致與保鮮膜(即聚乙烯)相比，用Silk-COF包裝的大豆霉菌總數減少了四個數量級。3）在一個可生物降解的納米復合材料框架內，傳感、結構加固和抗菌劑輸送的集成定義了特定于氣候的包裝材料，可以減少食品浪費并提高食品安全。
Yangyang Han, et al, Design of Biodegradable, Climate-Specific Packaging Materials That Sense Food Spoilage and Extend Shelf Life, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c12747https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12747
11. ACS Nano：開發(fā)用于草莓保鮮的多功能納米包封反式白藜蘆醇/殼聚糖營養(yǎng)食用涂層
用于營養(yǎng)輸送的植物化學納米膠囊和用于易腐食品保鮮的可食用涂層是兩種新興技術。近日，亞利桑那州立大學Zhaoyang Fan，Shu Wang利用植物化學營養(yǎng)素的強大抗菌功能，提出融合研究，通過將植物化學物質包封的納米粒子嵌入新鮮水果的可食用涂層中來整合這兩種技術，以實現多種功能。1）研究人員進行了草莓可食用涂層的研究，該涂層由包埋在殼聚糖(CS)基質中的反式白藜蘆醇(R)包封的納米粒子(RNP)組成。口服給藥后，可生物降解和生物相容的RNP顯著提高了R的水溶性150倍和生物利用度3.5倍。2）研究結果證明了嵌入RNP的CS可食用涂層能夠減少脫水、防止營養(yǎng)流失、抑制微生物生長、增加營養(yǎng)價值、保持草莓品質，并在22和4 °C的儲存期間延長保質期。這種基于植物化學納米膠囊的可食用涂層有望實現增強營養(yǎng)輸送和保存易腐食品的雙重目的。
Qiaobin Hu, et al, Development of Multifunctional Nanoencapsulated trans-Resveratrol/Chitosan Nutraceutical Edible Coating for Strawberry Preservation, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c01094https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01094
