顶刊日报丨陈忠伟、张华、徐福建、王海梁、梁叔全等成果速递20200208

纳米人

2020-02-10

1. Nature Mater.：实现量子反常霍尔效应/拓扑霍尔效应共存于磁性拓扑绝缘体三明治结构

量子反常霍尔效应（QAHE）源于动量空间中非零的贝利（Berry）曲率。量子反常霍尔绝缘体在无外磁场存在下具有零损耗的手性边缘态。然而，拓扑霍尔效应（THE）——手性自旋结构的标志，则源于真实空间的贝利曲率。最近，宾州州立大学常翠祖、Moses H. W. Chan、Nitin Samarth等人发现，将拓扑绝缘体（TI）层插入两磁性TI层之间（形成三明治结构），在此基础上，通过电场栅控可实现QAHE和THE的共存。

THE通过体载流子测得，QAHE则通过手性边缘态反映。其中，量子反常霍尔绝缘体系中的THE来源于手性磁畴壁（注：手性磁畴壁来源于栅诱导的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用），且该THE发生于磁性TI三明治结构的磁化反转过程。作者认为，手性边缘态和手性自旋结构的共存为实现零耗散自旋电子应用提供了平台。 

图1. TI三明治异质结构中的QAHE。

图2. 在TI三明治异质结构中实现QAHE和THE的共存。

Jiang,J., Xiao, D., Wang, F. et al. Concurrence of quantum anomalous Hall andtopological Hall effects in magnetic topological insulator sandwichheterostructures. Nat. Mater. (2020).

DOI:10.1038/s41563-020-0605-z

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0605-z

2. Nature Mater.：室温下，在少层半金属MoTe₂中同时实现经典/平面自旋霍尔效应

自旋霍尔效应（SHE）通常在具有大量自旋轨道耦合（SOC）的高对称性晶体中以体效应的形式存在。在这之中，对称的自旋轨道场使得自旋霍尔角（θ_SH）和自旋扩散长度（L_sf）之间存在权衡，且自旋极化、自旋电流和荷电流（外部电流）三者之间相互正交。

最近，新加坡国立大学Kian Ping Loh、Vitor M. Pereira和台北中研院物理所Hsin Lin等人发现，低对称性少层半金属MoTe₂在室温下可实现高达0.32的 θ_SH和2.2μm的L_sf，十分有望用于同步的自旋生成、传输以及检测。此外，作者发现面外极化的纵向自旋电流既可由横向的荷电流产生，也可由垂直方向的荷电流产生，分别源于传统SHE和新发现的平面SHE。该研究表明对晶体对称性和SOC的调控能实现新型电荷-自旋转换和自旋-轨道转矩，在自旋电子应用中存在一定前景。 

图1. 块体/少层半金属MoTe₂的晶体对称性。

Song,P., Hsu, C., Vignale, G. et al. Coexistence of large conventional and planarspin Hall effect with long spin diffusion length in a low-symmetry semimetal atroom temperature. Nat. Mater. (2020).

DOI:10.1038/s41563-019-0600-4

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0600-4

3. JACS: 两性离子屏障调控多硫化物助力长效Li-S电池

在液态Li-S电池中，对多硫化物的行为进行合理调控对于改善电池稳定性至关重要。最近，华南师范大学的王新与加拿大滑铁卢大学的陈忠伟等开发出一种独特的聚合物型两性离子(PZI)来实现对多硫化物的智能调控。这种PZI将亲硫性与亲锂性集成在同一个聚合物基质中，通过与多硫化物之间的化学相互作用营造了选择性离子传输的环境。

研究人员将其用作Li-S电池功能性中间层后发现其对多硫化物有强烈的阻挡作用而可以允许锂离子穿过，因此能够显著抑制多硫化物穿梭问题。基于PZI的电池在长达1000周的深度循环中平均每周容量衰减率只有0.012％，在5C的高倍率下也可以正常工作。此外，研究人员在高硫载量和少量电解液条件下对电池电化学性能进行了测试，300周后电池面容量仍有5.3mAh/cm²。还工作表明这种两亲性聚合物界面层有望在实际锂硫电池体系中得到广泛应用。

GaoranLi, Xin Wang, Zhongwei Chen et al, Polysulfide Regulation by the ZwitterionicBarrier toward Durable Lithium–Sulfur Batteries, JACS, 2020

DOI: 10.1021/jacs.9b13303

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13303

4. Joule: 钙钛矿光伏制造业的经济可持续增长

光伏制造的巨额资本支出使新的电池和模块技术难以进入市场。麻省理工学院Ian Mathews团队提出了两个技术经济模型，用于分析R2R单结技术和钙钛矿-硅串联模组的钙钛矿制造的可持续增长。重点是规模经济和平均售价对盈利能力的影响。

对于工厂生产的柔性模组，研究人员将成本范围定在3.30 美元/瓦至0.5 3美元/瓦之间，范围从0.3 MW/年至1GW/年。此外，对制造串联模组的成本进行了建模，并展示了现有制造商如何通过共同投资于串联模组，可以更快地增长。该分析突出了钙钛矿光伏产品的潜在市场途径，以及即使在劳动力价格较高的市场中，可持续发展光伏制造公司的可能性。

EconomicallySustainable Growth of Perovskite Photovoltaics Manufacturing，Joule，2020

DOI:10.1016/j.joule.2020.01.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300337

5. Angew: 溶剂分子的协作提高锂金属电池双电极上的性能

开发与电极有效和可逆循环兼容的电解质对于可充电锂金属电池（LMBs）的成功至关重要。耶鲁大学王海梁、中南大学梁叔全和北美全球能源互连研究院Bo Wang等人通过研究以碳酸亚乙酯，碳酸二甲酯，亚硫酸亚乙酯及其组合作为锂金属电池电解质溶剂对电池库仑效率和循环寿命的影响，发现在阳极侧，如果与Li金属电极具有高相容性/低反应性的溶剂分子在Li⁺的溶剂化鞘中起主导作用，则存有低效溶剂的二元溶剂电解质仍可表现出高CE。但溶剂化鞘的次要成分仍参与SEI的形成，因此影响SEI层的结构和性能以及电极的循环寿命。

在阴极侧，电解质的抗氧化稳定性也由Li+的溶剂化结构决定。也就是说，二元溶剂电解质在电极表面上的分解程度主要取决于主导Li⁺溶剂化鞘的溶剂组分。基于这些发现，研究者开发了对Li || LiFePO₄电池具有高性能的碳酸亚乙酯（EC）-亚硫酸亚乙酯（ES）电解质。碳酸盐分子占据了溶剂化鞘，并提高了阳极和阴极的库仑效率。亚硫酸盐分子促进SEI的理想形态和组成，并延长了锂金属阳极的循环寿命。两种分子之间的协作为改进锂金属电池提供了电解质设计的新实例。

YifangZhang, Yiren Zhong,Zishan Wu, Bo Wang, Shuquan Liang, Hailiang Wang, SolventMolecule Cooperation Enhancing Lithium Metal Battery Performance on BothElectrodes, Angewandte Chemie International Edition, 2020.

DOI:10.1002/anie.202000023

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202000023

6. Angew: 通过二维聚合物分子工程提高Au（111）在碱性介质中的析氢活性

水的电化学分解有望储存可再生能源间歇产生的能量。目前，氢气的产生依赖于铂的使用，而这种催化剂既稀少又昂贵。在这种情况下，在表面上单层生长的2D聚合物已成为具有可调化学和电子结构的多孔材料，可用于改善金属表面的催化活性。

德国马普所Rico Gutzler课题组使用设计的有机分子通过在Au（111）上发生Ullmann型偶联反应来制造共价2D结构。与裸金相比，具有聚合物图案的金电极显示出高达三倍的析氢反应活性。在分子水平上合理设计聚合物可以成为一种易于扩展至其他电催化反应的方法来提高氢的释放活性。

Enhancinghydrogen evolution activity of Au(111) in alkaline media through molecular engineering of a 2D polymer, Angew., 2020.

DOI: 10.1002/anie.201915855

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915855

7. AM：配体交换诱导无定形Pd纳米材料用于高效电催化析氢

各种无定形材料，如过渡金属二卤化物、金属氧化物和金属磷酸盐等，已被证实能够显示出比其结晶对应物更优异的电催化性能。与用于电催化剂的其他材料相比，贵金属具有固有的高活性和优异的耐久性。然而，由于强原子间的金属键合，制备非晶态贵金属纳米材料仍然非常具有挑战性。

基于此，南洋理工大学&香港城市大学张华等人报道了一种独特的硫醇分子，即铋试剂Ⅰ，其可以诱导Pd纳米材料从面心立方(fcc)相转变为非晶相，而不破坏其完整性。这种配体诱导的非晶化是在环境条件下通过后合成配体交换实现的，适用于具有不同封端配体的fcc Pd纳米材料。重要的是，所获得的无定形Pd纳米粒子在酸性溶液中对电催化析氢表现出显著增强的活性和优异的稳定性。该工作为制备非晶态Pd纳米材料提供了一种简便有效的方法，并展示了其广阔的电催化应用前景。

HongfeiCheng, Nailiang Yang, Guigao Liu, Yiyao Ge, Jingtao Huang, Qinbai Yun, YonghuaDu, Cheng‐Jun Sun, Bo Chen, Jiawei Liu, Hua Zhang. Ligand‐Exchange‐Induced Amorphization of Pd Nanomaterials for Highly EfficientElectrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction. Advanced Materials. 2020

DOI: 10.1002/adma.201902964

https://doi.org/10.1002/adma.201902964

8. Nano Lett.：利于光声成像对光热促进的纳米材料体内形态变化进行监测

将生物活性分子原位构建成纳米组装材料已被证明可以改善其性能，但如何在体内控制纳米组装材料的形态仍然是目前所难以解决的问题。华中农业大学杨子欣副研究员、陈浩教授、国家纳米科学中心乔增莹研究员和王浩研究员合作提出了一种光热促进的形态转变(PMT)策略来加速纳米材料的形成，以提高药物分子的生物学性能。

与自发的过程相比，PMT过程的转化效率提高了4倍。由于组装效率的增加，药物在肿瘤中的累积量是无光照条件下的2倍，因此它也可以更加有效抑制肿瘤的生长。并且，实验也利用比值光声图像对体内外的药物化学再组装过程进行了监测，从而证明了光热诱导的转化加速过程。这一研究通过在体内对生物分子组装动力学进行无创地人工控制，从而为智能机器人的发展提供了新的思路。

Xue-HaoZhang, Dong-Bing Cheng, Zi-Xin Yang, Hao Chen, Zeng-Ying Qiao, Hao Wang. et al.Photothermal-Promoted Morphology Transformation in Vivo Monitored byPhotoacoustic Imaging. Nano Letters. 2020

DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04752

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04752

9. ACS Nano: 拉伸超过1000次！高可变形性的钙钛矿太阳能电池

对于可穿戴和皮肤的电子产品来说，开发具有高循环机械耐久性的可拉伸太阳能电池仍然是一项挑战。中科院宁波材料所Weijie Song和Weiyan Wang团队使用折纸结构（kirigami结构）设了一种柔性钙钛矿太阳能电池（PSC）。实验和力学模拟表明，折纸结构通过平面外变形有效地赋予了PSC的可拉伸性，从而显著降低了设备中的应力。

基于折纸结构的PSC具有较高的机械变形能力，包括可拉伸性（最大200％应变），可扭曲性（最大450^o角）和可弯曲性（最小半径0.5 mm）。更重要的是， PSC在重复1000次拉伸，扭曲和弯曲循环后仍显示出很高的机械耐久性，并且性能几乎保持不变。这种可拉伸PSC的折纸设计为实现太阳能电池以及其他光电设备的高可变形性提供了一种有前途的策略。

Kirigami-BasedHighly Stretchable Thin Film Solar Cells that are Mechanically Stable for Morethan 1000 Cycles，ACS Nano 2020

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06562

10. ACS Nano：具有固有防污和光热杀菌特性的金纳米棒/聚合物复合涂层用于治疗感染性疝气

生物医疗设备相关感染(BAI)是现代临床医学面临的巨大挑战。因此，开发高效的抗菌材料对提高医疗水平和人民健康水平具有重要意义。有鉴于此，北京化工大学徐福建、段顺等人开发了一种用于多功能抗菌应用的表面功能化策略，以金纳米棒（Au-NRs）和聚乙二醇（PEG）组成的近红外（NIR）响应性有机/无机杂化涂层为基础，制备了一种具有固有防污和光热杀菌性能的功能化聚氨酯(PU，一种广泛应用于疝气修复的生物医学材料)表面材料(PU-Au-PEG)。

结果表明，PU-Au-PEG具有较高的抗细菌黏附能力，在808 nm的近红外光照射下表现出高效的光热杀菌性能，特别是对多重耐药细菌的杀菌效果更佳。此外，PU-Au-PEG对生物膜的形成有长期的抑制作用。细胞毒性和溶血实验也证明了PU-Au-PEG的生物相容性。体内光热抗菌性能首次通过皮下植入动物模型得到验证。然后，用感染性疝气模型研究了临床场景中的抗感染性能。动物实验结果表明，PU-Au-PEG具有良好的体内抗感染性能。本工作为研制多功能生物医学装置提供了一条简便易行、颇具前景的途径。

Yu-QingZhao, Yujie Sun, Yidan Zhang, et al. Well-Defined Gold Nanorod/Polymer HybridCoating with Inherent Antifouling and Photothermal Bactericidal Properties forTreating an Infected Hernia, ACS Nano, 2020.

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09282