复旦Nature Mater., 鲍哲南、黄永刚、John A. Rogers、聂广军等成果速递丨顶刊日报20191203
纳米人
2019-12-06
1. Nature Materials：金属氧化物半导体纳米线三维自组装金属氧化物纳米线三维自组装可以实现特殊的导电性，多孔结构和高表面积的纳米器件。当前的制造方法需要复杂的多步骤过程，该过程涉及纳米线的初始制备，然后进行手动组装或转移印刷，因此缺乏合成的灵活性和可控性。复旦大学邓勇辉 团队报道了一种可控制地构建3D多层交叉金属氧化物纳米线阵列的通用合成正交组装方法。以氧化钨半导体纳米线为例，聚环氧乙烷-嵌段-聚苯乙烯和硅钨酸复合纳米棒可以自发正交堆积。随后的煅烧产生了Si掺杂的亚稳态ε相WO3的3D交叉堆叠纳米线阵列。该纳米线堆栈框架也已作为气体检测仪进行了测试，用于选择性检测丙酮。通过使用其他多金属氧酸盐，这种类似木桩的3D纳米结构的制造方法也可以推广到不同的掺杂金属氧化物纳米线，从而为各种应用提供一种操纵其物理性能的方法。Synthesis of orthogonally assembled 3D cross-stacked metal oxide semiconducting nanowireshttps://www.nature.com/articles/s41563-019-0542-x
2. Nat Biomed. Eng.: 柔性可穿戴无线生物电子器件
装有高带宽三轴加速度计的安装在皮肤上的柔性电子设备可以捕获广泛的生理相关信息，包括基础身体过程的机械声信号（例如用听诊器测量的信号）和核心身体运动的精确运动学。在这里，美国西北大学黄永刚院士、John A. Rogers院士 、Zhaoqian Xie联合Carle神经科学研究院Charles R. Davies等人设计了一种无线装置，其被设计成能放置在胸骨上方的凹口上，用于连续测量机械声信号，包括从皮肤在大约10-3 m s-2的加速度下的微弱振动到整个身体的大运动在大约10 m s-2的振动和高达800 Hz的频率下。由于测量结果是由运动，身体朝向，吞咽，呼吸，心脏活动，声带振动和其他来源产生的一系列信号的复杂叠加，因此研究人员利用频域分析和机器学习方法，从人类受试者的日常活动中获取心率、呼吸频率、能量强度和其他基本生命体征的实时记录，以及说话时间和节奏、吞咽次数和模式和其他非常规生物标记。并且还在睡眠实验室中使用了该设备，并使用多导睡眠监测仪对测量结果进行了验证。
Lee,K., Ni, X., Lee, J.Y. et al. Mechano-acoustic sensing of physiological processesand body motions via a soft wireless device placed at the suprasternal notch.Nat Biomed Eng (2019)DOI:10.1038/s41551-019-0480-6https://doi.org/10.1038/s41551-019-0480-6
3. JACS：COFs纳米通道用于氨基酸手性选择性跨膜运输
长期以来，模仿细胞运输机制制造固态智能纳米通道用于多种应用备受关注，但这对合成提出了严峻的挑战。共价有机框架（COFs）是具有定制纳米通道的多孔晶体材料，具有很大的离子和分子传输潜力。近日，上海交通大学崔勇，华东理工大学龙亿涛等研究发现2D COFs可以作为固态纳米通道用于选择性运输氨基酸。作者通过将具有C3对称性的三醛与具有和不含有二乙烯基的二胺混合物进行亚胺缩合，使两个乙烯基官能化的2D COFs结晶。得到的两种多元COFs均具有由层状六边形网络通过AA或AB堆叠形成的直的1D中孔通道。作者通过硫醇-烯点击反应对COFs进行手性β-环糊精（β-CD）后修饰，并进一步将其制成无支撑混合基质膜（MMMs），该膜可以选择性地运输氨基酸。特别的是， AA堆叠的COFs相对于AB堆叠的COFs表现出对组氨酸对映体更高的手性识别能力，这是因为其均匀的开放通道修饰有β-CD。该工作为将COFs纳米通道用于选择性运输固态的小分子甚至生物分子奠定了基础。
ChenYuan, Yitao Long,* Yong Cui*, et al. Nanochannels of Covalent Organic Frameworksfor Chiral Selective Transmembrane Transport of Amino Acids. J. Am. Chem. Soc.,2019DOI: 10.1021/jacs.9b10007https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10007
4. Angew: 热处理气凝胶作为氧还原反应的催化剂
为了促进燃料电池技术的大规模应用，必须开发用于碱性和酸性电解质中的氧还原反应（ORR）非贵金属（非PGM）催化剂。作为一种非PGM催化剂，铁基催化剂已被广泛认为是替代Pt基ORR催化剂的有希望的候选者。气凝胶是一种固体物质形态的混合物或复合物，是世界上密度最小的固体，气凝胶是由空气或自由空间与陶瓷，金属，颗粒，粉末或碳固体介质组成，其中空气或自由空间的比例>99％，气凝胶是一种极具吸引力的材料，具有广泛的应用前景，其中之一是重要的氧还原反应的电催化。以无机形式存在的气凝胶具有超高的催化位点密度、高表面积和可调的物理性质和化学结构等独特的优势，是一种非常具有潜力的多相催化剂。近日，巴伊兰大学的LiorElbaz等设计制备了一种铁卟啉气凝胶，其具有优异的电催化性能。5,10,15,20-(tetra-4-氨基苯基)卟啉(H2TAPP)和Fe(II)被用作气凝胶的构筑单元，随后在600℃进行热处理以增强电子导电性和催化活性，同时保留其宏观结构。所得到的材料具有非常高浓度的原子分散催化位点(9.71020位点/g)，能够在碱性溶液中具有优异的催化氧还原反应活性(Eonset= 0.92 V vs. RHE，TOF = 0.25 e- site-1 s-1，电压为0.80V vs. RHE)。该工作为低成本、高活性非贵金属催化剂的制备提供了一种新的思路。
Noam Zion, David A. Cullen, Piotr Zelenay, LiorElbaz. Heat-Treated Aerogel as a Catalyst for Oxygen Reduction Reaction.Angewandte Chemie International Edition, 2019.DOI: 10.1002/anie.201913521https://doi.org/10.1002/anie.201913521
5. AM: 电子皮肤的最新进展和未来展望
斯坦福大学鲍哲南教授和韩国科学技术院Steve Park等人对电子皮肤及其研究的最新进展进行综述，重点介绍了三个主要应用领域所需的技术：可皮肤附着的电子设备，机器人技术和假肢。首先，由于电子皮肤将暴露于各种长时间的应力中，并且需要与不规则形状的表面一致地粘附，因此具有固有拉伸性和自愈特性的材料非常重。第二，触觉感知能力，如压力、应变、滑动、力矢量和温度的检测，对于皮肤附着装置的健康监测，以及机器人和假肢的物体操纵和周围环境的检测，都是非常重要的。对于皮肤可附着设备，化学和电生理传感以及无线信号通信对于全面评估用户的健康状况并确保用户的舒适度具有重要意义。对于机器人和假肢，以便捷和可扩展的方式在3D表面上进行大面积集成至关重要。此外，为了有效地以并行和低功耗的方式处理触觉信息，需要使用神经形态器件的新的信号处理策略。对于假肢，神经界面电极是非常重要的。对以上这些主题进行讨论，重点讨论了其进展、当前挑战和未来前景。
Yang,J. C., Mun, J., Kwon, S. Y., Park, S., Bao, Z., Park, S., Electronic Skin:Recent Progress and Future Prospects for Skin‐AttachableDevices for Health Monitoring, Robotics, and Prosthetics. Adv. Mater. 2019, 31,1904765.https://doi.org/10.1002/adma.201904765
6. AM: 珍珠层启发的复合电解质助力负载型固态锂金属电池
使用固态电解质的固态锂金属电池有望成为新一代储能器件。然而，由于陶瓷电解质的脆性和聚合物电解质的柔软性，开发面对外部应力仍然保持机械稳定性的固态电解质仍然充满挑战。在本文中，美国哥伦比亚大学的陈曦和Yuan Yang等从天然珍珠层结构得到启发提出了一种具有“砖泥结构”的陶瓷-聚合物复合电解质。这种类珍珠层复合电解质（NCPE）同时具有比纯陶瓷电解质高的断裂应变（1.1%-0.13%）和比纯聚合物电解质高的极限弯曲模量（7.8GPa-20MPa）。在外部压力负载下该复合电解质的电化学性能也优于其单独组分。他们使用LAGP/聚醚丙烯酸酯NCPE电解质组装了5×5cm的软包电池，该软包电池在外部点压力为10N条件下在室温下循环100周的容量保持率高达95.6%。NCPE的提出为固态复合电解质提供了一种新的设计方案，并为未来固态锂金属电池开辟了新的可能性。
AijunLi, Xi Chen, Yuan Yang et al, Nacre‐Inspired Composite Electrolytes for Load‐BearingSolid‐State Lithium‐MetalBatteries, Advanced Materials, 2019DOI: 10.1002/adma.201905517https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905517?af=R
7. AM：纳米血小板逆转血栓
在涉及血栓形成的疾病中，血液供应的快速切断是全世界发病率和死亡率的主要原因。然而，由于目前的溶栓策略的半衰期短、靶向性低和意外的出血并发症，该疗法提供的结果非常有限。受血小板在止血和病理性血栓中固有作用的启发，国家纳米中心聂广军研究员、李素萍研究员、Zhang Yinlong等人开发了血小板膜伪装的聚合物纳米颗粒（纳米血小板），用于将溶栓药物--重组组织纤溶酶原激活剂（rt-PA）靶向递送至局部血栓部位。量身定制的纳米血小板可以有效地积聚在肺栓塞和肠系膜动脉血栓形成模型小鼠的血栓中，与游离rt-PA相比，其溶栓活性显着增强。此外，在缺血性中风模型中，纳米血小板的治疗效果优于游离rt-PA。体内凝血指标的分析表明，纳米血小板具有较低的出血并发症的风险。所开发的复合仿生纳米血小板为在血栓形成疾病中提高溶栓治疗的疗效和降低出血风险提供了一种有希望的解决方案。
Xu,J., Zhang, Y., Li, S., Nie, G. et al, Engineered Nanoplatelets for TargetedDelivery of Plasminogen Activators to Reverse Thrombus in Multiple MouseThrombosis Models. Adv. Mater. 2019, 1905145.https://doi.org/10.1002/adma.201905145
8. AM: 用于高性能紫外光电探测器的2D氧化物钙钛矿
二维钙钛矿由于其独特的性能和减小的尺寸，是未来光电器件的有希望的替代材料。但是，开发稳定且无毒的2D宽带隙钙钛矿仍然是一项挑战。复旦大学 Xiaosheng Fang团队通过液体剥离合成厚度低至1.8 nm的二维全无机钙钛矿Sr2Nb3O10（SNO）纳米片，并且首次研究了基于单个几层SNO片的UV光电探测器（PD）。基于SNO薄板的PD表现出优异的紫外线检测性能（窄带响应度= 1214 AW-1，外部量子效率= 5.6×105％，检测度= 1.4×1014 Jones@ 270 nm，1 V偏压）和快速响应速度（trise ≈0.4 ms，tdecay≈40 ms），优于大多数报道的基于2D图纸的单个UV PD。此外，栅极电压可成功控制SNO的载流子传输特性和基于SNO的光电晶体管的性能。SNO片的光电探测性能和载流子传输性能取决于其厚度。此外，基于SNO纳米片薄膜可轻松制造具有高机械稳定性的柔性和透明PD。这项工作为高性能光电元件的发展提供了一条有效的途径。
2D Perovskite for High‐Performance UVPhotodetectors，AM， 2019DOI: 10.1002/adma.201905443https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905443
9. AM综述：液化阳光: 将可再生能源转化为肥料和电力材料的能源载体
可再生能源在世界上许多地方，尤其是偏远地区储量丰富，因此储存和运输这些能源已成为能源利用的关键挑战。氢和氨作为近期而非遥远未来的能源载体具有巨大的潜力，与传统化石燃料相比，它们在技术经济方面的竞争地位正迅速向对它们有利的方向转变。对于长距离的管道运输和散货船运输，以液态氢和氨气为主的液体能源运输是理想的运输方式。因此，开发高活性、高选择性的电催化剂材料，通过还原电化学生产这些能量载体成为了一个重要的研究领域。近日，莫纳什大学的Alexandr N.Simonov和Douglas R.MacFarlane讨论了在这些过程中电催化材料领域的最新发展和挑战，包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氮还原反应(NRR)，重点介绍了目前困扰氨氮还原领域的一些错误步骤。综述了原位表征和量子化学研究在新的电催化材料发现中的日益突出的重要作用。
Douglas R. MacFarlane,Jaecheol Choi, Bryan H. R. Suryanto, Rouhollah Jalili, Manjunath Chatti, LuisMiguel Azofra, Alexandr N. Simonov. Liquefied Sunshine: Transforming Renewablesinto Fertilizers and Energy Carriers with Electromaterials. Advanced Materials,2019.DOI: 10.1002/adma.201904804https://doi.org/10.1002/adma.201904804
