1. Nature Energy：用于實用鋰金屬電池的高熵電解質
電解質工程對于提高電池性能至關重要，尤其是對于鋰金屬電池。通過增強電極界面的電化學穩定性可以大大提高電解質的可循環性，但同時實現高離子電導率仍極具挑戰性。在這里，斯坦福大學崔屹報道了用于實用鋰金屬電池的高熵電解質。1) 在弱溶劑化電解質中，作者發現熵效應減少了離子聚集，同時保留了富含陰離子的溶劑化結構，而這得到了基于同步加速器的X射線散射和分子動力學模擬的證實。2) 與傳統的弱溶劑化電解質相比，具有較小尺寸團簇的電解質在離子電導率方面得到了兩倍的提高。此外，在無陽極LiNi0.6Mn0.2Co0.2（NMC622）||Cu軟包電池中，該電解質能在高達2C（6.2?mA?cm?2）的高電流密度下穩定循環。該設計策略的有效性通過三種不同弱溶劑化電解質系統的性能改進得到了驗證。
Sang Cheol Kim, et al. High-entropy electrolytes for practical lithium metal batteries. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01280-1https://doi.org/10.1038/s41560-023-01280-1
2. Nature Energy：具有可忽略電壓衰減的富鋰層狀氧化物正極
具有高容量、低成本的富鋰和錳（LMR）的層狀氧化物是下一代鋰離子電池的有效正極。然而，不穩定的Li2MnO3蜂窩結構使其在循環過程中具有大量電壓衰減，從而阻礙其實際應用。在此，香港城市大學Liu Qi、Ren Yang、西北大學Christopher M. Wolverton、阿貢國家實驗室Lu Wenquan報道了一種電壓衰減可忽略不計的無鈷LMR鋰離子電池陰極。1) 該材料具有由層狀LiTMO2和各種堆疊的Li2MnO3組分組成的復合結構，其中存在于Li2MnO2的Li層中的過渡金屬（TM）離子可以增強蜂窩結構的穩定性。2) 如實驗和計算結果所示，該結構在高壓循環后仍可以保持穩定，并防止TM遷移和氧氣損失。該工作表明，通過內部釘扎蜂窩結構，可以有效緩解LMR中長期存在的電壓衰減問題，這為開發下一代高能陰極材料開辟了途徑。
Dong Luo, et al. A Li-rich layered oxide cathode with negligible voltage decay. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01289-6https://doi.org/10.1038/s41560-023-01289-6
3. Nature Materials：層狀量子材料中的光誘導六角態
光對材料性質的可調諧性在能源轉換和信息技術中極具應用前景。強相關材料，如過渡金屬二硫族化合物，通過光摻雜提供電子相的光學控制、電荷有序和層間相關性。在這里，德國馬克斯·普朗克多學科科學研究所Claus Ropers報道了層狀量子材料中的光誘導六角態。1) 作者發現在薄膜過渡金屬二硫族化合物1T型二硫化鉭（1T-TaS2）中的兩個電荷密度波相之間的激光誘導轉變過程中出現了瞬態六方體狀態。通過引入傾斜超快納米束電子衍射，作者發現在高動量分辨率下重建了電荷密度波動曲線。2) 三維結構相關性的間歇性促進了由高密度的未結合拓撲缺陷引起的平面內平移階數的損失，這是六元中間體的特征。該結果證明了斷層掃描超快結構探測在跟蹤耦合有序參數方面的優點，預示著在功能異質結構和器件中實現激光誘導維度控制的普遍納米級途徑。
Till Domr?se, et al. Light-induced hexatic state in a layered quantum material. Nature Materials 2023DOI: 10.1038/s41563-023-01600-6https://doi.org/10.1038/s41563-023-01600-6
4. Nature Materials：共軛聚合物中的空穴限制電化學摻雜
離子和電子電荷的同時傳輸和耦合是用于能量存儲和轉換、神經形態計算和生物電子學的電化學設備的基礎。雖然能夠實現這些技術的混合導體被廣泛使用，但人們通常對離子和電子傳輸之間的動態關系仍知之甚少，這阻礙了新材料的合理設計。近日，劍橋大學Scott T. Keene、Akshay Rao、George G. Malliaras報道了共軛聚合物中的空穴限制電化學摻雜。1) 在半導體電極中，電化學摻雜受到離子運動的限制，因為與電子和/或空穴相比，離子的質量更大。作者證明了這一基本假設不適用于共軛聚合物電極。2) 通過使用操作光學顯微鏡，作者揭示了聚噻吩中的電化學摻雜速度會受到低摻雜水平下較差空穴傳輸的限制，從而導致更慢的開關速度。作者表明，空穴限制摻雜的時間尺度可以通過微觀結構的不均勻程度來控制，從而能夠設計出具有改進電化學性能的共軛聚合物。
Scott T. Keen, et al. Hole-limited electrochemical doping in conjugated polymers. Nature Materials 2023DOI: 10.1038/s41563-023-01601-5https://doi.org/10.1038/s41563-023-01601-5
5. Nature Nanotechnology：光纖尖端的混合電子-光子傳感器
大多數傳感器依賴于被測對象的電參數變化。原則上，它們通過電線和電子電路直接讀出在技術上很容易實現，但它會受到電磁干擾，進而阻礙了它在工業環境中的應用。而光纖傳感器可以克服這些限制，因為其傳感區域和讀出區域可以間隔開，有時可以間隔幾公里。然而，由于其需要極高的波長精度，光纖傳感通常需要復雜的詢問設備。在這里，埃因霍芬理工大學L. Picelli報道了光纖尖端的混合電子-光子傳感器。1) 作者通過演示集成在光纖尖端的混合電子-光子傳感器，將電子傳感器的靈敏度和靈活性與光學讀出的優勢相結合。該傳感器基于電光納米光子結構，而該結構利用靜電場和電磁場的強共定位來同時實現電壓-波長轉換和反射率調制。2) 作者證明了通過光纖讀取電光二極管電流-電壓特性的可能性，從而證明了其因環境而變化的可能性。作為概念證明，作者展示了這種方法在低溫傳感中的應用。
L. Picelli, et al. Hybrid electronic–photonic sensors on a fibre tip. Nature Nanotechnology 2023DOI: 10.1038/s41565-023-01435-xhttps://doi.org/10.1038/s41565-023-01435-x
6. Nature Chemistry：三芳基甲基陽離子氧化還原介質增強Li–O2電池的放電容量
Li–O2電池商業化的一個主要障礙是碳電極上電子絕緣Li2O2膜生長導致的低放電容量。而氧化還原介導提供了一種有效策略，其可以將氧化學物質驅動到溶液中，從而避免表面介導的Li2O2膜生長并延長放電壽命。因此，探索不同的氧化還原介質類別可以幫助制定分子設計標準。在這里，伊利諾伊大學Ksenija D. Glusac報道了一類三芳基甲基陽離子，它可以有效地將放電容量提高35倍。1) 作者發現具有更多正還原電位的氧化還原介質會導致更大的放電容量，因為它們抑制表面介導還原途徑的能力有所提高。這一結果為氧化還原介導O2/Li2O2放電容量的未來改進提供了重要的結構-性能關系。2) 此外，作者應用計時電位測量模型來研究氧化還原介質標準還原電位的區域以及在給定電流密度下實現有效氧化還原介質所需的濃度。這一分析能指導未來的氧化還原介體探索。
Erik J. Askins, et al. Triarylmethyl cation redox mediators enhance Li–O2 battery discharge capacities. Nature Chemistry 2023DOI: 10.1038/s41557-023-01268-0https://doi.org/10.1038/s41557-023-01268-0
7. Nature Chemistry：巨型囊泡內部形狀變形和膜相分離的動力學控制
多種細胞過程通過使用液-液相分離（LLPS）來創建組織的功能水平，但其進行的動力學途徑仍不明確。在這里，南洋理工大學Atul N. Parikh、賓夕法尼亞州立大學Christine D. Keating實時監測所有合成的巨大單層囊泡內聚合物混合物的LLPS動力學。1) 在動態觸發相分離之后，作者發現在通往新平衡的過程中，隨后的弛豫受到液滴相的粗化和相互作用的膜邊界之間的動態相互作用調節。膜邊界優先被潤濕，從而動態地阻止膜的粗化和變形進程。2) 當囊泡由常見脂質的相分離混合物組成時，囊泡內部的LLPS與膜的組成自由度耦合，產生微相分離的膜紋理。體相和表面相分離過程的耦合表明了一種物理原理，即活細胞內的LLPS可以被動態調節并傳遞到細胞邊界。
Christine D. Keating, et al. Kinetic control of shape deformations and membrane phase separation inside giant vesicles. Nature Chemistry 2023DOI: 10.1038/s41557-023-01267-1https://doi.org/10.1038/s41557-023-01267-1
8. Nature Commun：用于集成納米器件的鈣鈦礦納米晶體陣列的原位生長
盡管鹵化物鈣鈦礦材料和器件的開發取得了顯著進展，但由于缺乏對納米級圖案的控制，它們與納米級光電子學的集成受到阻礙。由于鈣鈦礦具有快速降解的傾向，因此與傳統的光刻工藝存在化學不相容性。在這里，麻省理工學院Farnaz Niroui提出了一種替代的自下而上的方法，用于精確和可擴展地形成鈣鈦礦納米晶體陣列，并對尺寸、數量和位置進行確定性控制。1）在該方法中，使用受控表面潤濕性的地形模板來引導局部生長和定位，通過該模板設計納米級力以實現亞光刻分辨率。2）通過這項技術，研究人員展示了 CsPbBr3 納米晶體的確定性陣列，其可調尺寸低至 <50 nm，位置精度 <50 nm。3）多功能、可擴展且與設備集成工藝兼容，然后使用該技術來演示納米級發光二極管陣列，突出了該平臺為鈣鈦礦集成到片上納米設備中提供的新機會。
Jastrzebska-Perfect, P., Zhu, W., Saravanapavanantham, M. et al. On-site growth of perovskite nanocrystal arrays for integrated nanodevices. Nat Commun 14, 3883 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-39488-0https://doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0
9. Nature Commun.：π-共軛聚電解質中的水結合和吸濕性
水的存在強烈影響含離子軟物質的結構、動力學和性質。然而，這種物質的水合作用尚不清楚。在這里，新加坡國立大學Peter K. H. Ho，Rui-Qi Png，Lay-Lay Chua通過對單價π共軛聚電解質的大量研究表明，它們的可逆水合（每個離子對最多有幾個水分子）主要發生在離子簇和疏水基質之間的界面，而不會破壞離子堆積。1）建立了適當的表面水合模型，而不是通常假設的離子簇的內部水合模型。通過對解吸能和O-H振動頻率的詳細分析，以及OPLS4和DFT計算，闡明了吸附水的關鍵結合基序。2）I型水在50°C以下解吸，對應于構成二次水合的氫鍵水簇。II型水通常在50–150°C的溫度下解吸，對應于在簇表面的近端陽離子或陽離子-陰離子對的影響下與陰離子結合的水，這構成了初級水合作用。3）III型水在超過150°C時不可逆地解吸，相當于動力學上捕獲在離子之間的水。其含量隨加工和熱處理的不同而變化很大。因此，吸濕性（即每個離子對的吸水能力）不僅取決于離子，還取決于它們的簇形態。
Tang, C.G., Syafiqah, M.N., Koh, QM. et al. Water binding and hygroscopicity in π-conjugated polyelectrolytes. Nat Commun 14, 3978 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-39215-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-39215-9
10. Nature Commun.：用于全色域和高純度結構色的Fano共振光學鍍膜平臺
結構著色是一種光穩定且環保的著色方法，利用光學干涉和納米光子共振來獲得具有一系列應用的顏色，包括顯示技術、彩色太陽能電池板、隱寫術、裝飾、數據存儲和防偽措施。近日，羅切斯特大學Mohamed ElKabbash，Chunlei Guo，Giuseppe Strangi通過使用反射和不透明材料作為基底開發了一類反射FROC，這導致了與窄帶納米腔諧振相對應的高反射諧振峰。1）研究人員通過數值和實驗研究了 FROC 的顏色特性。研究表明，反射式 FROC 結構著色的理想平臺，可產生跨越寬色域、高亮度和高純度的顏色。2）通過引入介電薄膜覆蓋層進一步增強了純度和色域覆蓋范圍。顏色對入射角的依賴性可以通過介電腔材料進行控制，從而使 FROC 適用于需要角度無關的各種應用（例如裝飾）或角度依賴的著色（例如防偽措施）。3） FROC 的結構著色可以找到需要強寬帶光吸收和高純度顏色的新應用，例如彩色太陽能熱發電板、彩色光伏板、彩色熱光伏板和彩色太陽能熱電發電機。這些可再生能源通常具有相同的顏色，黑色或深藍色，這使得它們在美學上沒有吸引力。
ElKabbash, M., Hoffman, N., Lininger, A.R. et al. Fano resonant optical coatings platform for full gamut and high purity structural colors. Nat Commun 14, 3960 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-39602-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-39602-2
11. Angew：體相重構為水性鋅離子電池提供堅固的鋅金屬陽極
水系鋅離子電池本質上是安全的，但鋅陽極上嚴重的枝晶生長和腐蝕反應極大地阻礙了其實際應用。大多數鋅負極改性策略是指對鋰金屬負極進行表面調控的研究，而沒有考慮鋅負極的內在機制。近日，中南大學Haiyan Wang首次指出，由于固液轉換剝離過程中不可避免的表面損傷，表面改性不能永久保護鋅陽極。1）研究人員提出了一種體相重建策略，以在商業鋅箔的表面和內部引入豐富的親鋅位點。2）即使在深度剝離后，體相重構的鋅箔陽極也表現出均勻的表面和高親鋅性，顯著提高了對枝晶生長和副反應的抵抗力。該策略為開發具有高可持續性的實用可充電電池的無枝晶金屬陽極提供了一個有前途的方向。
Zefang Yang, et al, Bulk-Phase Reconstruction Enables Robust Zinc Metal Anodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202308017DOI: 10.1002/anie.202308017https://doi.org/10.1002/anie.202308017
12. AM：利用鎳鋅微電機可進行信號通訊以引導神經干細胞
神經干細胞具有自我更新、分化和環境調節的能力，有望用于中風、腦損傷治療和神經元再生。相比于外源性細胞移植，內源性神經干細胞的激活避免了免疫排斥和倫理問題。然而，如何在原位誘導定向生長和分化仍然是一個重大挑戰。中山大學彭飛和南方醫科大學涂盈鋒通過自行建立的電化學場提出了一種純水驅動的鎳鋅微電機。1）在Zn端，H+被還原成H2和Zn2+。Zn2+的逐漸積累產生了濃度梯度和驅動Ni-Zn微電機的自建電場。有趣的是，與以往的化學驅動微電機相比，Ni-Zn微電機在運動過程中沒有氣泡產生，從而避免了氣體栓塞。2）Ni端可實現精確的細胞靶向，在定位和可控性方面具有獨特優勢。微電機的自建電場導致Ca2+通道的開放，增加Ca2+內流，從而增加細胞內Ca2+水平，從而誘導神經干細胞分化。3）與此同時，鋅端釋放出微量的Zn2+，對神經發生發揮重要作用。因此，電化學場可激活細胞信號通路，從而決定神經干細胞的分化命運。這種鎳鋅微電機平臺為誘導神經干細胞定向分化提供了可能性，并為神經元再生提供了新的途徑。
Ye Feng, et al. Directed Neural Stem Cells Differentiation via Signal Communication with Ni-Zn Micromotors. Advanced Materials. 2023DOI：10.1002/adma.202301736https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301736
