欢度假期，9篇Science/ Nature系列进展丨顶刊日报20201003
纳米人
2020-10-13
1. Science Advances：基于人体运动的无线无电池可穿戴式汗液传感器
无线可穿戴汗液生物传感器因其无创健康监测的潜力而获得了巨大的关注。由于高能耗是该领域的关键挑战，因此从人体运动中高效收集能量代表了可持续地为未来可穿戴设备供电的一种有吸引力的方法。尽管进行了大量的研究，但大多数可穿戴式能量收集器仍具有制造过程复杂，鲁棒性差和功率密度低的缺点，因此不适合连续生物传感。于此，加州理工学院高伟等人提出了一个高度耐用、可大量生产且无需电池的可穿戴平台。1）该可穿戴平台可通过基于柔性印刷电路板（FPCB）的自立式摩擦电纳米发电机（FTENG）有效地从人体运动中获取能量。2）经过精心设计的FTENG显示出约416 mW m-2的高功率输出。通过无缝的系统集成和有效的电源管理，研究人员演示了无电池的摩擦电动驱动系统，该系统能够为多路复用的汗液生物传感器供电，并在人体人体试验过程中通过蓝牙将数据无线传输到用户界面。Yu Song, et al., Wireless battery-free wearable sweat sensor powered by human motion. Science Advances 2020.https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaay9842
2. Science Advances：面向阵列和3D光电和传感架构的机载光纤打印
可扩展性和设备集成一直是小直径导电纤维应用面临的主要问题。近日，英国剑桥大学Yan Yan Shery Huang报道了将导电纤维生产和纤维到电路连接集成在一起的一步过程，即机载纤维印刷（iFP）。它可以产生并原位粘合悬浮或表面上的薄导电纤维阵列，而不需要任何后处理。1）通过优化纤维尺寸， iFP可作为一种快速在线构建小直径(~1-到3 μm厚)不同特性的导电纤维的通用技术。作为实例，研究人员利用溶液反应合成法和有机导电PEDOT：PSS[聚(3，4-乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐]纤维制备了无机金属银纤维。考虑到难以生产直径低于典型泡孔尺寸（几微米）的PEDOT：PSS纤维，PEDOT：PSS纤维在生物学应用中广受关注，其PEDOT：PSS溶液的低粘度特性非常适合由基材支撑的薄膜生产阻碍了微/纳米纤维的生产。2）利用iFP，可以实现在电路上制造纤维，纤维阵列的透射率超过95％（350至750nm）。光纤阵列的高表面积体积比，宽容性和透明性被用于构建传感和光电体系结构。研究人员成功展示了利用PEDOT：PSS纤维作为单元界面阻抗传感器、三维(3D)湿气流量传感器以及非接触式、可穿戴/便携式呼吸传感器。3）研究人员进一步探索了iFP流程提供的新型电路架构，提出3D“浮动电子架构”的概念，并成功有机和无机纤维材料合并到同一透明导电网络中。Wenyu Wang, et al, Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures, Sci. Adv. 2020DOI: 10.1126/sciadv.aba0931http://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba0931
3. Nature Commun.：三维共价有机骨架中氧化还原触发的切换
近年来，固态分子开关对刺激响应材料的调谐受到越来越多的关注。近日，武汉大学汪成教授，北京大学孙俊良教授报道了一种可切换的3DCOF(3D-TPB-COF-HQ)的设计和合成，它可以通过氢醌/醌氧化还原反应在骨架中进行可逆转变1）结果表明，3D-TPB-COF-HQ具有较高的结晶度和较大的比表面积，采用连续旋转电子衍射(cRED)技术表征显示， 3DTPB-COF-HQ具有五重互穿PTS拓扑结构，cRED数据库的高分辨率为~1.0 Å。2）3D-TPB-COF-HQ可以被氧化成3D-TPB-COF-Q，然后通过氧化还原反应还原到初始状态，同时保持结晶度和孔隙率。更重要的是，由于转化过程中孔环境的改变，3D-TPB-COF-Q表现出比3D-TPB-COF-HQ更高的CO2/N2选择性，表现出明显的刺激响应型分离效果。Gao, C., Li, J., Yin, S. et al. Redox-triggered switching in three-dimensional covalent organic frameworks. Nat Commun 11, 4919 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-18588-1https://doi.org/10.1038/s41467-020-18588-1
4. Nature Commun.：非侵入性技术对药物载体进行毫米级分辨率操纵
非侵入性的，分子特异性的，具有低脱靶效应的脑回路的焦点调制可以导致脑疾病治疗的突破。苏黎世联邦理工学院Mehmet Fatih Yanik、Aagam S. Shah等人通过全身注射工程化超声可控药物载体，然后在大脑内的目标部位应用一种新型的聚集和暴露聚焦超声双组分顺序（AU-FUS）。1）第一个顺序以毫米级的精度聚集药物载体。第二个顺序在不损害血脑屏障（BBB）的情况下，将载体的货物局部打开，以达到高的靶向特异性。从载体中释放后，药物局部穿过完整的血脑屏障。2）研究人员展示了在大鼠运动皮层中通过局部浓缩和释放GABAA受体激动剂来控制感觉信号的电路特异性。该方法使用的药物数量级（1300x）比全身注射所需的要少，而且需要非常低的超声压力（比FDA诊断成像安全限值低20倍）。最后，通过被动空化检测（PCD）、MRI造影剂以及敏感的荧光染料外渗和免疫组织化学方法，证明了BBB仍保持完整。Ozdas, M.S., et al. Non-invasive molecularly-specific millimeter-resolution manipulation of brain circuits by ultrasound-mediated aggregation and uncaging of drug carriers. Nat Commun 11, 4929 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-18059-7
5. Nature Commun.：三维叠层印刷催化剂通过气泡输送用于高效析氧反应
尽管三维(3D)纳米结构催化剂在聚合物电解质膜水槽(PEMWEs)中的析氧反应(OER)中具有很好的应用前景，但尚未获得其性能最大化的通用设计准则。近日，韩国科学技术院（KAIST）Yeon Sik Jung，韩国科学技术研究院（KIST）Jin Young Kim报道了报道了具有木堆（WP）结构的3D几何形状控制的Ir电催化剂，为开发OER电催化剂以改善PEMWE性能提供了一个新的方向。1）用溶剂辅助纳米转移印刷（S-NTP）处理的堆积式1D NW阵列制备了3D WP结构的Ir电催化剂。基于制备方法的广泛可控性，因此可以控制WP纳米结构中的NW到NW间距和层到层的对准角度。2）3D几何结构的广泛控制和扫描电化学显微镜(SECM)分析数据结合微流控计算结果显示，由于水反应物均匀地进入催化剂表面，以及具有精准结构孔道可容易地传输和去除放氧气体产物，因而实现了单位负载质量的电化学活性表面积（ECSA）和ECSA比活性的同时提高。3）在不改变晶体结构或氧化态的情况下，具有WP结构的Ir电催化剂在单电池PEMWE中实现了140 A/mg（在1.8 V下）的高质量活性值，是最先进的商用Ir纳米粒子催化剂（Ir黑）的30倍。Kim, Y.J., Lim, A., Kim, J.M. et al. Highly efficient oxygen evolution reaction via facile bubble transport realized by three-dimensionally stack-printed catalysts. Nat Commun 11, 4921 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-18686-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-18686-0
6. Nature Commun.：球面ZnO微晶中的偏振子凝聚和表面增强拉曼
高质量微腔中偏振子（polariton）玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose–Einstein condensate，BEC）的形成和表征是当代固体物理学的前沿。近日，英国诺丁汉特伦特大学Carole C. Perry报道了伪球面ZnO微晶中的三维偏振子凝聚和限制。1）微球面ZnO的边界类似于一个稳定的腔体，使得辐射与材料响应能够充分耦合。在带隙低频侧的紧聚焦激发下，研究人员检测到了效率和光谱非线性依赖关系，以及激发态的空间离域特征，这是偏振子液滴的动力学特征。2）凝聚体中光子成分的膨胀增强了ZnO微晶边界以外的漏场。利用这一点，研究人员观察到了ZnO微球界面的表面偏振子场增强拉曼响应。结果阐明了球面半导体微结构如何简单地促进基于偏振子的电子态和用于界面诊断的传感元件的工程设计。Volkov, V.V., Oliver, D.J. & Perry, C.C. Polariton condensation and surface enhanced Raman in spherical ZnO microcrystals. Nat Commun 11, 4908 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-18666-4https://doi.org/10.1038/s41467-020-18666-4
7. Nature Commun.：二维碳氧化钼用于高效催化甲烷干法重整
分散在二氧化硅上的碳氧化钼（2D-Mo2COx）纳米片的二维形态对于实现高稳定性和催化活性的甲烷干法重整（DRM）具有重要意义。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Christoph R. Müller，Alexey Fedorov，西班牙巴塞罗那自治大学Aleix Comas-Vives报道了在二氧化硅上负载和分散分层的2D-Mo2CTx纳米片可以在很大程度上防止其热烧结成块状Mo2C和MoO2相，从而为将2D 钼-碳化物和碳氧化物用于高温多相催化铺平了道路。1）多层Mo2CTx（m-Mo2CTx）在乙醇中超声，离心后得到分层的2D-Mo2CTx片的透明紫色胶体溶液。然后利用Mo2CTx纳米薄片的胶体溶液连续几次初湿浸渍SiO2载体,得到2D-Mo2CTx/SiO2，经100 °C空气干燥后，元素分析表明Mo含量为0.48wt%。TEM成像显示团聚的无定形二氧化硅晶粒被薄薄的Mo2CTx纳米片均匀覆盖。2）XANES和XPS分析表明，平均Mo氧化态为+4的2D-Mo2COx碳氧化合物是DRM的活性相，氧化或还原该态会降低甲烷的消耗率。DFT计算结果表明，2D-Mo2COx上DRM的速率限制步骤是CH4裂解，初始CO2活化步骤产生的氧覆盖降低了C*和O*物种的结合能，进而降低了C–O耦合步骤的能垒。3）当通过降低氧覆盖率使催化剂失活时，可以通过在纯CO2气流中的再氧化将催化剂重新活化到最初的活性。值得注意的是，2D-Mo2COx在催化和再生过程中保持了纳米片状的形貌。此外，研究人员确定了确保在20小时内稳定运行的流体动力学条件，即原位再生的最佳的氧气覆盖率。该研究表明负载型2D-Mo2COx在高温催化应用中是一种非常活跃和坚固的催化剂，在氧化环境中表现出优异的稳定性。Kurlov, A., Deeva, E.B., Abdala, P.M. et al. Exploiting two-dimensional morphology of molybdenum oxycarbide to enable efficient catalytic dry reforming of methane. Nat Commun 11, 4920 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-18721-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-18721-0
8. Angew：MOF定向合成质子导电性增强的结晶离子液体
离子液体(ILs)的长程有序排列不仅可以提高其性能，而且有助于阐明结构与性能之间的重要关系。然而，这仍然是一项艰巨的挑战，迄今为止，还没有关于结晶IL成功合成的研究报道。近日，首都师范大学万重庆教授，中科院福建物构所徐刚研究员报道了一种可行的策略，通过基于配位自组装的网状化学来获得结晶的IL。1）通过设计IL桥联配体，然后将其与金属簇连接，制备了第一个具有长程有序骨架的结晶IL，IL1MOF。IL1MOF具有非常独特的结构，其中IL配体排列在长程有序骨架上，但具有不稳定的离子中心。这种结构使IL1MOF突破了固体离子液体的质子电导率低于相应的体离子液体的典型限制。2）研究发现，在较宽的温度范围内，IL1MOF表现出比其对应的IL单体高2-4个数量级的质子电导率。其电导率也比室温下报道的固体质子型IL衍生物和MOF基无水质子导体的最高值高出一个数量级。此外，通过将IL限制在超微孔内(<1 nm)，IL1MOF将液-固相变温度抑制在-150 ℃以下，使其在零度以下的温度范围内具有高电导率。Wen-Long Xue, et al, MOF-Directed Synthesis of Crystalline Ionic Liquid with Enhanced Proton Conduction, Angew. Chem. Int. Ed. , 2020DOI：10.1002/anie.202010783https://doi.org/10.1002/anie.202010783
9. Angew：炔基连接的[Au13Ag16L24]3-团簇作为具有催化活性的八电子超原子
最近，配体保护的金属簇合物的结构-性质关系引起了人们极大的关注，其具有精确的晶体结构和尺寸特异性的分子性质，如HOMO-LUMO带隙，手性，光致发光，磁性，氧化还原行为和催化活性。近日，首都师范大学万重庆教授，中科院大连化物所李杲研究员，芬兰捷瓦斯基拉大学Hannu Hä kkinen报道了采用NaBH4介导的还原法制备了一种全新的炔化簇合物[Au13Ag16(C10H6NO)24]3-。1）利用各种复杂的表征技术证实了AuAg团簇的存在。其具有“Aucenter@Ag12@Au12Ag4”独特的金属骨架，由24个非典型炔类配体L(L=C10H6NO)保护。2）研究发现，配体在簇界面上形成了一个独特的基序L-(Ag)-Au-(Ag)L，其中每个L的炔基(C≡C)通过σ键共享一个Au原子连接，每个C≡C基团通过π键离散地连接到化学上不同的Ag原子(Ag icosahedral/Agcap)。3）研究人员详细研究了[Au13Ag16L24]3-的电学和光学性质。此外，利用密度泛函理论（DFT）将该团簇表征为一个清晰的八电子超原子，并成功地用P和D超原子态解释了吸收光谱中的峰。4）负载型Au13Ag16L24/CeO2催化剂对苯甲醛、二乙胺和苯乙炔的A3偶联反应具有较高的催化活性和选择性。Zhaoxian Qin, et al, A Homoleptic Alkynyl-Ligated [Au13Ag16L24]3- Cluster as a Catalytically Active Eight-Electron Superatom, Angew. Chem. Int. Ed. 2020,DOI：10.1002/anie.202011780https://doi.org/10.1002/anie.202011780
10. ACS Nano：发光疏水木质薄膜用于光学照明材料
大多数用于光学照明应用的材料需要产生均匀的照明，并且要求高机械和疏水性能。然而，这些材料往往不具备环保性。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Ingo Burgert，新西兰森林研究院符启良研究员报道了一种用于光学照明的具有优异机械性能的生物基、无聚合物基质、发光和疏水薄膜。1）研究人员将木材单板转变成多孔支架来制备模板，进而从多孔支架中去除大部分木质素和一半的半纤维素。量子点（CdSe/ZnS）在致密化之前渗透到多孔模板中，导致几乎均匀的发光（各向同性光散射），并可以延伸到不同的量子点粒子，产生不同的光颜色。在随后的步骤中，通过化学气相沉积在发光木膜上涂覆十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）。量子点的存在与HDTMS涂层的耦合使薄膜变得疏水（水接触角≈为140°）。2）这种自上而下的工艺强烈地消除了管腔空洞，并保持了原始纤维素纤维的取向，从而在纤维方向上创建了具有高模量和高强度的发光和无聚合物基质薄膜。该光学照明材料有望在室内设计(例如，灯和层压盖板)、光子学和激光器件等得到广泛应用。Qiliang Fu, et al, Luminescent and Hydrophobic Wood Films as Optical Lighting Materials, ACS Nano, 2020DOI：10.1021/acsnano.0c06110https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06110
版权声明：
本平台根据相关科技期刊文献、教材以及网站编译整理的内容，仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。
