王中林院士、谢毅院士、崔屹、杨阳、曲晓刚、任劲松、王双印等成果速递丨顶刊日报20200820
纳米人
2020-08-21
1. Nature Nanotech.: 纳米材料疫苗战略的进展，以解决影响全球健康的传染病
尽管疫苗在预防传染病方面取得了巨大成功，但仍有许多全球破坏性疾病没有完全保护性疫苗，特别是人类免疫缺陷病毒（HIV），疟疾和结核病。正在开发纳米技术方法，以设计针对这些疾病的新疫苗，并促进其全球实施。给定病原体可能给疫苗设计带来困难的原因是独特的，并且与病原体和人类的共同进化历史有关，但纳米技术开始有助于解决常见的挑战。在每种情况下，成功的疫苗都需要提高与正常感染引起的免疫反应不同的免疫反应。纳米材料具有确定的组成，通常的模块化构建和允许关键免疫途径参与的长度尺度，共同促进了识别这种保护性免疫应答并可靠地实现它们所必需的迭代设计过程。纳米材料还提供了将疫苗组分的运输和递送工程化为关键免疫细胞和淋巴组织的策略，并且它们可以是高度多价的，从而改善它们与免疫系统的接合。美国杜克大学Joel H. Collier、Genevieve G. Fouda等人在本综述将讨论这些方面以及最近针对传染病疫苗的纳米材料进展，特别强调艾滋病毒/艾滋病、疟疾和结核病。1）本文将重点研究针对疟疾，结核病和艾滋病毒的纳米材料疫苗，强调近期工作以及对这种材料如何与免疫系统结合的新认识。2）将讨论基于设计的蛋白质，肽，脂质，聚合物和无机纳米材料的疫苗。
Fries, C.N., Curvino, E.J., Chen, J. et al. Advances in nanomaterial vaccine strategies to address infectious diseases impacting global health. Nat. Nanotechnol. (2020).https://doi.org/10.1038/s41565-020-0739-9
2. Chem. Soc. Rev.综述：超薄2D光催化剂在促进CO2光还原方面的基本原理和挑战
目前，CO2光还原研究受到光转化效率低和产物选择性差的严重困扰。具有高活性位点，高密度和高均匀性的超薄2D光催化材料可以作为理想的模型来精准设计CO2光转化效率和产物选择性的三个关键参数（光吸收效率（ηabs），载流子分离效率（ηcs）和表面氧化还原效率（ηredox））。然而，关于如何通过优化ηabs，ηcs和ηredox这三个关键参数来提高整体光转化效率和较差产品选择性，从未进行过全面而系统的概述。有鉴于此，中科大谢毅院士，孙永福教授总结了通过设计超薄2D材料理想模型的策略，以精确定制决定CO2光还原性能的三个关键参数。1）作者回顾了具有缺陷能级的超薄2D半导体从紫外(UV)到可见光范围的扩展，以及具有中间带的超薄2D半导体和具有特殊部分占据带的导体从UV到红外(IR)区域的扩展。2）作者概述了具有缺陷态的超薄2D半导体、具有表面偏振态的超薄半导体和具有内建电场的超薄异质结半导体提高载流子分离效率的研究进展。3）作者重点总结了具有面内异质结构、孤立的单原子和丰富的双金属位的超薄2D半导体的加速还原动力学。4）最后，作者对超薄2D材料高选择性、高效地将CO2光转化为C2+产物的前景进行了简要的总结和展望。Xingchen Jiao, et al, Fundamentals and challenges of ultrathin 2D photocatalysts in boosting CO2 photoreduction, Chem. Soc. Rev., 2020
https://doi.org/10.1039/D0CS00332H
3. Chem：镍基亲核电氧化催化剂的活性起源和设计原理
了解电催化剂在阳极上的亲核氧化反应（NOR）中的作用，以代替水分解过程中的析氧反应（OER），对于制氢和有机电合成的发展至关重要。近日，湖南大学王双印教授报道了将β-Ni(OH)2和NiO作为模型电催化剂，其在OER过程中的结构演化相对明确。1）采用透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征了OER和NOR过程中的结构演变。同时，采用operando电化学阻抗谱（EIS）、原位拉曼光谱和原位X射线吸收光谱（XAS）对NOR机理进行了表征。利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）对NOR过程中标记在亲核分子中的氢同位素进行示踪。2）结合实验表征和密度泛函理论（DFT）计算结果，研究人员提出了β-Ni(OH)2和NiO的不同NOR途径，并且NOR的活性来源是具有亲电晶格氧的β-Ni(OH)O和具有亲电吸附氧的NiO(OH)ads。3）基于β-Ni(OH)2独特的涉及晶格氧的NOR途径，研究人员设计了一种精准的修饰策略，通过调节晶格氧配体环境来提高NOR活性。总之，该研究确定了NOR活性的起源并提出了电催化剂的设计原理，这为NOR的开发和有机电合成的工业应用提供了理论指导。Chen et al., Activity Origins and Design Principles of Nickel-Based Catalysts for Nucleophile Electrooxidation, Chem (2020)
DOI：10.1016/j.chempr.2020.07.022https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.07.022
4. EES：Cu(96)In4催化CO2水溶液选择性合成CO及其与无偏压太阳钙钛矿-BiVO4串联装置的集成
光驱动的燃料生产正吸引越来越多的人对可储存可再生能源生产的关注，然而，关于CO2的选择性催化剂的设计以及具有选择性和高效的CO2转化为燃料的无辅助装置的组装仍然具有挑战性。近日，英国剑桥大学Erwin Reisner报道了一种具有树枝状泡沫形貌的双金属Cu96In4合金，用于将水中的CO2还原为CO，其起始电位为-0.3 V vs RHE，选择性超过70%。1）Operando拉曼光谱显示，与裸Cu相比，Cu96In4合金表面的*CO吸附较弱，并支持CO(G)作为产物从电催化剂表面立即释放出来。Cu96In4催化剂随后被用于以水为电子供体的整体无偏压串联装置中，用于实现CO2转化。同时，依赖于最新技术的三阳离子混合卤化物钙钛矿和BiVO4光吸收剂，掩埋的光伏偏置光电化学电池也可以组装成人工叶片结构。2）结果显示，在无偏压条件下模拟太阳光照射10 h后，该设备具有0.19％的太阳能转化为CO的能量转换效率，对CO的选择性为75％。同时，掩埋的钙钛矿׀ Cu96In4正极在不同的太阳强度下显示出稳定的，未改变的PEC活性，这也使其能够在低强度且分散的日光下工作。这项研究强调了合金化改善催化性能的应用潜力以及将此类催化剂集成到太阳能驱动的PEC装置中的策略。Motiar Rahaman, et al, Selective CO production from aqueous CO2 using a Cu96In4 catalyst and its integration into a bias-free solar perovskite-BiVO4 tandem device, Energy Environ. Sci., 2020
https://doi.org/10.1039/D0EE01279C
5. AM：一种可机械加工三维蜂窝结构阻燃摩擦电火灾救生织物
火灾是威胁当今公共安全和社会发展的最常见的灾害之一，如何提高火灾逃生救援能力仍然是一个巨大的挑战。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，厦门大学郭文熹副教授，东华大学汪军教授报道了一种基于阻燃缠绕纱的三维蜂窝状机织物摩擦电纳米发电机(F-TENG)。1）采用与传统纺织生产工艺兼容的连续空心锭花式捻线工艺制造出包纱。由此产生的3D F-TENG可以作为自供电的逃生救援系统用于智能地毯上，可以精确地定位幸存者的位置并指出逃生路线，以及时协助受害者搜索和救援。2）作为室内装饰，独特的蜂窝编织结构设计使F-Teng织物具有优异的降噪能力。3）3D F-TENG结合其良好的机洗性、透气性、阻燃性、耐用性和可重复性，在消防救援和可穿戴传感器以及智能家居装饰方面具有广阔的潜在应用前景。Liyun Ma, et al, A Machine-Fabricated 3D Honeycomb-Structured Flame-Retardant Triboelectric Fabric for Fire Escape and Rescue, Adv. Mater. 2020
DOI: 10.1002/adma.202003897https://doi.org/10.1002/adma.202003897
6. AM：输出功率密度为300 W m-2的纤维素基全绿色摩擦电纳米发电机
摩擦电纳米发电机（TENG）以其优异的能量转换效率、多样化的材料选择以及在能量采集装置和自供电传感器中的广泛应用而受到越来越多的关注。当前，人们已经探索了包括绿色材料在内的新材料，然而其性能还没有达到氟聚合物的水平。近日，佐治亚理工学院王中林教授，中瑞典大学Christina Dahlström，Renyun Zhang报道了一种使用纤维素基摩擦层的高性能、全绿色TENG (FG-TENG)。1）结果表明，FG-TENG的输出功率密度超过300 W m-2，是绿色材料TEN的新记录。2）FG-TENG的高性能源于再生纤维素的高正电荷密度。3）FG-TENG在湿度为30%-84%的环境下经过30000多次运行后，性能保持稳定。这项工作表明，天然绿色材料基高性能TEN有望实现广泛的应用。
Renyun Zhang, et al, Cellulose-Based Fully Green Triboelectric Nanogenerators with Output Power Density of 300 W m-2, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002824https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002824
7. AM：平衡前后端子电池用于高性能串联有机光伏电池
在串联式有机光伏中，前端子电池是基于大禁带材料，而后端子电池的情况更为复杂。后端子电池一般由一个窄带隙的红外吸收受体和一个大带隙的供体组成，以实现高开路电压。不幸的是，光子的大部分紫外可见部分被前端子电池吸收；因此，在后端子电池中，大带隙供体产生的激子数将大大减少。这降低了(光)导电性，并最终限制了后端子电池的空穴传输特性。近日，加州大学洛杉矶分校杨阳教授报道了一种简单有效的方法来解决上述关键问题。在PBDB-T（带隙为1.8 eV的聚合物供体）/Y1（带隙为1.4 eV的非富勒烯受体）的有源层中，采用少量的红外吸收聚合物供体（PDPP2T-TT）作为第三组分。1）当在后端子电池中使用这种三元混合物（PBDB-T/PDPP2T-TT/Y1）有源层时，尽管大多数紫外-可见光子仍被前端子电池吸收，这显著降低了供体PBDB-T上载流子的产生，但在红外吸收供体PDPP2T-TT上可能会产生额外的载流子。2）实验结果表明，双端串联有机光伏的短路电流密度从10.3 mA cm-2大幅提升至11.7 mA cm-2（同时保持开路电压和填充因子），功率转换效率提高到15.1%。Pei Cheng, et al, Enabling High-Performance Tandem Organic Photovoltaic Cells by Balancing the Front and Rear Subcells, Adv. Mater. 2020
DOI: 10.1002/adma.202002315https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002315
8. AM：邻近耦合引起的二维范德华异质结矫顽场和居里温度的显著提高
二维磁性材料由于在自旋电子器件中的重要应用，长期以来一直是凝聚态物理研究的热点。二维磁性材料的一个显著的应用是能够制造具有工程光学、电学和量子特性的二维异质结构。最近，原子厚度材料中本征铁磁性的发现为磁基础物理学的研究提供了一个新的平台。与2DCrI3和Cr2Ge2Te6绝缘子相比，Fe3GeTe2（FGT）磁流体具有更大的本征垂直各向异性、更高的居里温度（TC）和相对更好的稳定性，是通过界面或元件工程实现永久室温铁磁性的有前途的候选材料。有鉴于此，华中科技大学韩俊波研究员，叶镭副研究员报道了通过FPS与FGT的邻近耦合来增强2D FGT铁磁性的有效方法。1）通过构建FPS/FGT和FPS/FGT/FPS异质结构，FGT的TC在FPS/FGT中提高了30 K，在FPS/FGT/FPS中提高了35 K，而矫顽场（HC）值几乎翻了一倍。2）研究发现，在FPS/FGT和FPS/FGT/FPS中存在交换偏置效应和多种磁态，为理解FPS在界面处对FGT中畴的调制提供了一种途径。这项工作揭示了反铁磁/铁磁耦合（AFM/FM）是提高二维铁磁流体磁性能的一种有效方法，为在先进的磁自旋电子器件和存储器件中的应用铺平了道路。
Luman Zhang, et al, Proximity-Coupling-Induced Significant Enhancement of Coercive Field and Curie Temperature in 2D van der Waals Heterostructures, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002032https://doi.org/10.1002/adma.202002032
9. AM：用于易损动脉粥样硬化斑块活体光声成像的无创纳米探针
易损动脉粥样硬化(AS)斑块是心血管患者死亡的主要原因。然而，现有的临床方法不能直在分子水平上直接识别易损AS斑块。在此，北京大学郑乐民等人以骨桥蛋白抗体(OPN Ab)和ICG共组装的Ti3C2纳米片近红外荧光分子作为一种先进的纳米探针(OPN Ab/Ti3C2/ICG)，其具有增强的光声(PA)性能，可直接和非侵入性地对易损AS斑块进行活体视觉成像。1）所设计的OPN Ab/Ti3C2/ICG纳米探针成功地实现了对泡沫细胞和易损AS斑块切片的明显近红外荧光成像。2）OPN Ab/Ti3C2/ICG纳米探针静脉注射AS模型小鼠后，其体内成像结果显示积聚了易损斑块的主动脉弓内PA信号明显增强，表明OPN Ab/Ti3C2/ICG纳米探针用于区分易损AS斑块具有显著的可行性。综上所述，OPN Ab/Ti3C2/ICG纳米探针不仅克服了临床上难以区分易损AS斑块的难题，而且在分子水平上实现了易损AS斑块的无创特异性活体成像，极大地推动了心血管诊断技术的创新。Xiaoxiao Ge, et al. A Non‐Invasive Nanoprobe for In Vivo Photoacoustic Imaging of Vulnerable Atherosclerotic Plaque. Adv. Mater., 2020.
DOI: 10.1002/adma.202000037https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202000037
10. AM综述：原子薄六方氮化硼及其异质结构
原子薄六方氮化硼(h-BN)是二维材料中的一颗新星。由于其原子平坦性、无悬键和良好的稳定性，被认为是其它2D材料器件的最佳基底。h-BN是中红外范围的天然双曲线材料，也是一种压电材料。这些独特的性质都有利于其在光电子学和电子学方面发挥应用。目前，这些应用大多仅基于概念验证阶段剥离的h-BN薄片。化学气相沉积(CVD)被认为是制备大规模、高质量、原子薄h-BN薄膜和异质结的最有前途的方法。有鉴于此，哈工大胡平安教授综述了基于化学气相沉积生长h-BN及其异质结构的最新研究进展。1）原子薄层h-BN的CVD合成是研究的重点。作者系统地研究了h-BN单晶薄膜的生长动力学，提出了可控、可扩展制备h-BN单晶薄膜的一般策略。2）作者综述了二维材料在h-BN上的外延生长及其边缘构造异质结构的研究进展，强调异质结构中各组分的特定取向可以引入新的特性。3）作者最后总结了原子薄层h-BN及其异质结在光电子学和电子学中的应用。
Jia Zhang, et al, Atomically Thin Hexagonal Boron Nitride and Its Heterostructures, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202000769https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202000769
11. ACS Nano: 冷冻电镜在材料科学和纳米科学中的机遇
冷冻电镜通过冷冻并稳定脆弱的生物分子以获得其本征状态下的近原子级分辨的成像，对结构生物学领域的研究起到了深远影响。除生命科学外，冷冻电镜也为物理科学和材料科学等领域的发展也提供了巨大的机遇。有鉴于此，美国斯坦福大学崔屹教授等人，综述了冷冻电镜在材料科学、纳米科学领域的研究进展，并展望了未来的应用前景。1）冷冻电镜为对电子束、环境敏感的脆弱材料的高分辨表征提供了机遇，在众多领域具有广阔的应用前景，包括电池，柔性聚合物，金属有机框架，钙钛矿太阳能电池，电催化和量子材料等。2）结构生物学的研究受益于冷冻电镜的发展和优化。目前，在物理科学中面临的重大挑战也可以受益于冷冻电镜，但在很大程度上仍有待进一步探索。目前，冷冻电镜在材料科学领域仍是一项新兴技术，在样品的制备、成像条件和数据处理方面仍需进一步的改进。3）冷冻电镜有望在材料和物理研究等领域产生重大影响，许多科学问题可以通过冷冻电镜来解决，但需要注意的是，在研究过程中也应努力减少虚假结论。在实验过程中，可以通过细致的控制实验验证通过冷冻电镜而骤然冷冻捕获的亚稳态。总之，该工作有望促进冷冻电镜在物理科学和材料科学研究中的进一步应用。
Yanbin Li et al. Opportunities for Cryogenic Electron Microscopy in Materials Science and Nanoscience. ACS Nano, 2020.DOI: 10.1021/acsnano.0c05020https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05020
12. Chem. Sci.：类酚基团功能化的石墨烯量子点用于高效治疗急性肾损伤
急性肾损伤(AKI)是一种以快速丧失肾代谢功能为特征的综合征，其死亡率很高。在AKI期间，肾脏内活性氧(ROS)的过量产生被认为是造成肾功能衰竭的主要原因。然而，目前可治疗AKI的抗氧化剂往往缺乏良好的抗氧化效果及肾脏富集效率。在此，中科院长春应化所任劲松研究员和曲晓刚研究员受天然酚类抗氧化剂结构的启发，构建了具有高效清除ROS和肾脏富集能力的类酚基团功能化的石墨烯量子点(h-GQDs)，并将其用于对AKI进行抗氧化治疗。1）与天然多酚相似的是，h-GQDs中丰富的类酚基团被证明是其发挥抗氧化作用的关键活性成分。进一步的机理研究表明，h-GQDs的超高抗氧化活性其实不仅来源于类酚基团，还与相邻类酚基团之间的协同作用以及对h-GQDs上的羰基的去除有关。2）在AKI小鼠模型中，实验证明了仅用临床抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)的十六分之一剂量的h-GQDs就能有效保护肾脏不受氧化损伤，且无毒副作用产生。这一研究工作证明了利用结构-活性关系可以促进高性能碳基抗氧化平台的开发，进而用于治疗AKI和其他ROS相关的疾病。
Huan Wang. et al. Phenol-Like Groups Functionalized Graphene Quantum Dots Structurally Mimicking Natural Antioxidants for Highly Efficient Acute Kidney Injury Treatment. Chemical Science. 2020https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc03246h#!divAbstract
