Nature/Cell系列13篇，王春生，汪淏田，胡良兵/王超等成果速递丨顶刊日报20190907
纳米人
2019-09-07
1. Nature：直接合成N-CF3酰胺化合物的方法
酰胺及其相关的羰基衍生物在物理和生命科学中具有重要意义。作为关键的生物学构件，酰胺的稳定性和构象影响肽和蛋白质的结构以及它们的生物学功能。此外，酰胺键形成是最常用的化学转化之一。然而，由于缺乏有效的合成方法，同时结合了甲基化和氟化的N-CF3羰基单元尚未被开发出来。近日，德国亚琛工业大学FranziskaSchoenebeck团队报道了一种直接获取酰胺及其相关羰基化合物的N-CF3类似物的方法。该方法依赖于氨基甲酰氟结构单元的制备，其可以容易地多样化为相应的N-CF3酰胺，氨基甲酸酯，硫代氨基甲酸酯和脲。该方法可合成丰富的功能和立体化学的化合物，作者提供了大量高功能化合物的实例-包括广泛使用的药物，抗生素，激素和聚合物单元的类似物。Thomas Scattolin, Franziska Schoenebeck*, et al. Straightforward access toN-trifluoromethyl amides, carbamates, thiocarbamates and ureas. Nature, 2019DOI: 10.1038/s41586-019-1518-3https://www.nature.com/articles/s41586-019-1518-3
2. Nature methods: 受激拉曼散射显微镜下化学键的生物成像
所有的分子都由化学键组成，了解这些化学键的时空动力学可以获得很多有用的信息。受激拉曼散射(SRS)显微镜自问世以来，以其高灵敏度、高分辨率、速度快和高特异性等特点已经成为化学键成像的一种强有力的手段。有鉴于此，美国哥伦比亚大学Wei Min等人们介绍了SRS显微镜的基本原理，并总结了在SRS显微镜和成像探针领域的创新成果。作者列举了令人兴奋的生物应用的例子，并分享了作者对这项技术在未来可能出现的突破的展望。Fanghao Hu, Lixue Shi & Wei Min. Biological imaging of chemical bonds by stimulatedRaman scattering microscopy. Nature methods. 2019DOI:10.1038/s41592-019-0538-0https://www.nature.com/articles/s41592-019-0538-0
3. Nature methods: 了解FRET（生物分子研究工具）的潜力，同时避免误区
福斯特共振能量转移(FRET)的应用在逐年增加。然而，不同的FRET技术并没有得到广泛的应用，同时也没有获得一致的结果，这使得FRET实验的操作和再现具有挑战性。有鉴于此，美国海军研究实验室Igor L. Medintz等人介绍关于FRET的基础知识，还提供了有助于实验设计选择的指导方针；选择对照实验，来证实FRET，并验证实验能够为生物分子过程问题提供有意义的数据；分析原始数据并对结果进行评估；提出处理数据和实验细节的方式，便于提高重现性。此外，作者还对荧光蛋白的荧光分析和成像提出了一些思考。作者的目标是鼓励并赋予所有生物学家使用FRET-这一强大的研究工具-的能力。W. Russ Algar, Niko Hildebrandt, Steven S. Vogel & IgorL. Medintz. FRET as a biomolecular research tool — understanding its potentialwhile avoiding pitfalls. Nature methods. 2019DOI:10.1038/s41592-019-0530-8https://www.nature.com/articles/s41592-019-0530-8
4. Nat. Commun.：高熵合金高效分解氨
氨是一种很有发展前途的储氢液体燃料，但其大规模应用受到贵金属钌(Ru)催化剂需求的限制。有鉴于此，美国约翰霍普金斯大学王超，美国马里兰大学胡良兵，伊利诺伊大学Reza Shahbazian-Yassar和匹兹堡大学Guofeng Wang等报道了利用富含稀土元素的新型高熵合金(HEA)催化剂进行高效氨分解的研究。研究发现，与Ru催化剂相比，这些HEA纳米粒子对氨分解的催化活性和稳定性显著增强。通过改变Co/Mo比值进行调控，从而优化表面性能，使不同反应条件下的反应活性最大化。该项工作证实了HEAs在催化化学和能量转换方面的巨大潜力。PengfeiXie, Yonggang Yao, Zhennan Huang, Zhenyu Liu, Junlei Zhang, Tangyuan Li,Guofeng Wang, Reza Shahbazian-Yassar, Liangbing Hu & Chao Wang. Highlyefficient decomposition of ammonia using high-entropy alloy catalysts. Nat. Commun.,2019DOI:10.1038/s41467-019-11848-9https://www.nature.com/articles/s41467-019-11848-9
5. Nat. Commun.：细菌也能合成纳米材料，而且效果还不错
碲是一种极具有纳米技术应用潜力的元素，由于其三维位相的发现和在其Femi能级附近存在的Weyl节点而受到了广泛关注。近日，中科院上海光学精密机械研究所的Jun Wang，Long Zhang和上海交通大学的Kan Wu等利用一种以碲氧阴离子为营养的细菌成功合成出碲纳米粒子，并深入研究了其独特的纳米光子特性。研究发现，与化学合成的纳米材料相比，细菌合成的纳米粒子在光子应用中表现出了良好的效果，这以研究也为纳米材料的合成提供了一条独特的、环保的途径。该材料的非线性光学测试结果表明，在较宽的时间和波长范围内，三重散射引起了强饱和吸收和非线性光学消光。KangpengWang, Xiaoyan Zhang, Ivan M. Kislyakov, Ningning Dong, Saifeng Zhang, GaozhongWang, Jintai Fan, Xiao Zou, Juan Du, Yuxin Leng, Quanzhong Zhao, Kan Wu,Jianping Chen, Shaun M. Baesman, Kang-Shyang Liao, Surendra Maharjan, HongzhouZhang, Long Zhang, Seamus A. Curran, Ronald S. Oremland, Werner J. Blau &Jun Wang.Bacterially synthesized tellurium nanostructures for broadbandultrafast nonlinear optical applications. Nat. Commun.,2019DOI:10.1038/s41467-019-11898-zhttps://www.nature.com/articles/s41467-019-11898-z
6. Nat. Commun.: 晶界钝化!碱金属氟化物后沉积处理Cu（In，Ga）Se2太阳能电池
多晶材料的性质和性能主要取决于其晶界的性质。多晶光伏材料 - 例如混合卤化物钙钛矿，铜铟镓二硒（CIGSe）和碲化镉 - 已经证明具有高效率并且具有成本效益的电力供应。对于基于CIGSe的太阳能电池，最近使用碱金属氟化物后沉积处理实现了高于23％的效率;但是，它的全部影响和功能原理尚未完全了解。近日，国际伊比利亚纳米技术实验室SaschaSadewasser研究团队通过对三种不同碱-氟化物处理的CIGSe的纳米级光电子性质的详细研究，为其晶界钝化提供了直接证据。通过数值模拟，确定了晶界表面电位变化与开路电压的相关性。结果表明，较重的碱元素可能通过降低带电荷缺陷的密度和增加晶界二次相的形成而导致较好的钝化。Nicoara,N. Sadewasser, S. et al. Direct evidence for grain boundary passivation in Cu(In,Ga)Se2 solarcells through alkali-fluoride post-deposition treatments. Nat. Commun. 2019.DOI:10.1038/s41467-019-11996-yhttps://www.nature.com/articles/s41467-019-11996-y
7. Nat. Commun.: 用于光电子3D打印的结构化多材料细丝
同时3D打印不同材料，具有器件质量接口和高分辨率的金属，聚合物和半导体仍然具有挑战性。此外，离散和连续域的精确放置以实现器件性能和电连接性，这些都对当前的高速3D打印构成了障碍。近日，麻省理工Yoel Fink研究团队报道了细丝与不同的材料排列在精细的微观结构，并结合外部粘合促进剂，以在3D打印介质中实现广泛的拓扑结果和设备质量界面。结合光检测的细丝被印刷成完全连接的3D蛇形和球形传感器，能够在整个厘米级表面上以微米分辨率空间分辨光。0维金属微球产生发光细丝，其被印刷成分层的3D物体，点缀有电致发光像素，设备分辨率高达55μm，不受表面张力效应的限制。结构化多材料细丝提供了通向现有方法无法实现的定制三维功能装置的途径。Loke,G. Fink, Y. et al. Structured multimaterial filaments for 3D printingof optoelectronics. Nat. Commun. 2019.DOI: 10.1038/s41467-019-11986-0https://www.nature.com/articles/s41467-019-11986-0
8. Nat. Commun.: 基于分子光开关的全光子全彩色RGB系统
在许多情况下，功能材料的发光颜色的命令式变化是受欢迎的特性。特别感兴趣的是使用光作为外部触发器来引起颜色变化的系统。近日，查尔默斯理工大学Joakim Andréasson研究团队报告了由荧光供体分子和封装在聚合物胶束中的两个光致变色受体分子组成的三组分混合物，并且显示发射的荧光的颜色可以从蓝色到绿色以及从蓝色到蓝色连续变化。选择性光诱导的光致变色受体异构化为荧光形式。有趣的是，两种受体异构化到不同程度允许在红 - 绿 - 蓝（RGB）颜色系统内产生所有发射颜色。该功能分别依赖于蓝色发光供体和绿色和红色发光受体之间的正交控制的FRET反应。Naren, G. Andréasson, J. et al. An all-photonic full colorRGB system based on molecular photoswitches. Nat. Commun. 2019.DOI: 10.1038/s41467-019-11885-4https://www.nature.com/articles/s41467-019-11885-4
9. Nat. Commun.：MoVTeNb氧化物用于乙烷氧化脱氢
乙烷氧化脱氢(ODH)是生产乙烯的一种有效途径。Mo-V混合金属氧化物的M1晶相是该反应的优良催化剂。近日，慕尼黑工业大学的Johannes A. Lercher和Maricruz Sanchez-Sanchez等发展了一种水热合成方法，以难溶金属氧化物为前驱体，生成具有高表面积的M1晶相，该方法生成M1晶相的温度为190°C，比目前合成条件下的温度低约400℃。后续研究中，作者采用分光光度法对溶解的多金属氧酸盐离子和结晶相的演化过程进行了研究。研究发现，与传统方法制备的催化剂相比，该方法制备的催化剂具有更高的ODH活性。高活性不仅是由于高比表面积，而且由于M1晶相表面暴露了高浓度的催化活性位点。DanielMelzer, Gerhard Mestl, Klaus Wanninger, Yuanyuan Zhu, Nigel D. Browning,Maricruz Sanchez-Sanchez & Johannes A. Lercher. Design and synthesis of highlyactive MoVTeNb-oxides for ethane oxidative dehydrogenation.Nat. Commun.,2019DOI:10.1038/s41467-019-11940-0https://www.nature.com/articles/s41467-019-11940-0
10. Nat. Commun.：O2到H2O2，过渡金属单原子配合物有奇招
电化学氧还原既可以通过2e-途径转化为过氧化氢(H2O2)，也可以通过4e–途径转化为水，前者已经作为一种绿色的H2O2合成方法吸引了广泛关注。近日，哈佛大学的Haotian Wang和斯坦福大学的Samira Siahrostami等通过对碳纳米管中不同过渡金属单原子配合物的氧还原途径的调控，发现Fe-C-O可以作为一种高效的过氧化氢催化剂，在0.1M KOH中起始电位只有0.822 V（vs. RHE）。另外，无论是在碱性还是中性pH值下，H2O2的选择性都在95%以上。后续理论计算表明，Fe-C-O是通过2e-途径转化为过氧化氢的关键催化位点。KunJiang, Seoin Back, Austin J. Akey, Chuan Xia, Yongfeng Hu, Wentao Liang, DianeSchaak, Eli Stavitski, Jens K. Nørskov, Samira Siahrostami & Haotian Wang. Highlyselective oxygen reduction to hydrogen peroxide on transition metal single atomcoordination. Nat. Commun.,2019DOI:10.1038/s41467-019-11992-2https://www.nature.com/articles/s41467-019-11992-2
11. Nat. Commun.：可穿过血脑屏障的纳米材料用于诱导免疫反应治疗胶质瘤
利用细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4 (a-CTLA-4)和程序性细胞死亡-1 (a-PD-1)等检查点抑制剂抗体去治疗脑胶质瘤往往疗效往往很差，这主要是由于它们不能跨越血脑屏障(BBB)。西达斯-西奈医学中心Julia Y. Ljubimova团队制备了一种在聚(β-L-苹果酸) 支架上的纳米免疫偶联物材料(NICs)，同时共价连接了a-CTLA-4和a-PD-1用于穿过BBB进行递送并激活大脑局部的抗肿瘤免疫反应。实验发现，利用NICs治疗小鼠GL261胶质母细胞瘤(GBM)后会导致脑肿瘤区CD8+ T细胞、NK细胞和巨噬细胞增多，而调节性T细胞(Tregs)则会减少。结果表明，利用NICs对GBM荷瘤小鼠进行联合治疗后，其效果也会明显优于单一的检查点抑制剂治疗或游离的a-CTLA-4和a-PD-1治疗。AnnaGalstyan, Julia Y. Ljubimova. et al. Blood–brain barrier permeable nanoimmunoconjugates induce local immune responses for glioma therapy. NatureCommunications. 2019https://www.nature.com/articles/s41467-019-11719-3
12. Joule: 原位界面助力高可逆LiNiO2正极锂离子与锂金属电池
众所周知，正极材料是决定电池能量密度和电池成本的关键因素。不含Co元素的LiNiO2正极材料由于具有高理论能量密度和相对低的生产成本因而被视为实现高比能电池的关键材料。然而，持续的Ni溶解、结构畸变、颗粒裂缝以及不稳定的正极固态电解质界面严重限制了其实际应用。在本文中，美国马里兰大学的王春生 与Xiulin Fan 等通过使用高度氟化的电解液以及LiBOB添加剂在LiNiO2正极表面构建了富含F和B元素的CEI膜。在高达4.4V的充放电截止窗口下LiNiO2在深度循环400周后的容量保持率高达80%。此外，该电解液在锂金属负极和石墨负极表面也能够形成富含F和B的SEI膜从而使得全电池也能够稳定循环。该工作强调了构建合适界面化学结构对于高比能正极材料的重要作用。TaoDeng, Xiulin Fan, Chunsheng Wang et al, Designing In-Situ-Formed InterphasesEnables Highly Reversible Cobalt-Free LiNiO2 Cathode for Li-ion and Li-metalBatteries, JouleDOI:10.1016/j.joule.2019.08.004https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30379-4?rss=yes#
13. 麻省理工学院Joule:光伏发电效率的价值
麻省理工学院Ian Marius Peters团队通过分析平准化电力成本（LCOE）对制造成本和效率的相互依赖性，引入效率值（VOE），一个定义创新允许成本的度量。从历史上看，VOE价值已经迅速下降，未来将进一步下降。此外，住宅和公用设施的VOE值汇总在不同的水平，表明这些细分市场的多样化程度更高。VOE的地方差异表明，区域市场多样化。在某些国家，像n型单晶PERC硅太阳能电池这样的先进概念在经济上优于多晶硅太阳能电池，但在包括中国和印度在内的其他国家可能差强人意。研究人员将分析扩展到串联光伏发电，确认了其有可能改善住宅应用的LCOE，但预计公用事业市场将面临挑战。最后，探讨了退化的不利影响，并表明竞争较低的LCOE需要匹配既定技术的降解率。The Value of Efficiency in Photovoltaics, Joule, 2019https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119303721
