福州大学Science Advances，武汉物数所Science Advances丨顶刊日报20210316
纳米人
2021-04-16
2. Nature Chemistry亮点：有机小分子体系晶化研究
Frank–Kasper（FK）晶相是通过球状结构的有序粒子形成的密堆积结构，这种结构被人们发现在金属合金、无机胶体、超分子软物质等体系中存在，但是未曾在小分子有机体系中发现此类晶相。有鉴于此，南安普敦大学/曼彻斯特大学Riccardo Montis等近期在Nature上发表了在有机吡啶小分子中观测形成FK结构晶体相。Nature Chemistry编辑Kathryn Ashe对该工作进行亮点报道。1）Riccardo Montis等发现，4-氨基吡啶的盐酸盐形成4种特定结构，其中2种结构含有相同的从吡啶阳离子和氯阴离子形成的三种多面体簇状结构，说明形成FK晶相结构。Phase 1从丙酮、乙醇/甲醇混合溶剂种晶化得到，Phase 3能够通过蒸发溶液获得，Phase 2、Phase 4通过Phase 1的重结晶实现。2）这种相同的有机盐生成多种不同晶体的现象非常有意思，Phase 1的复杂性暗示晶化前能够发生预先自组装过程，通过丙酮向乙醇/甲醇溶剂扩散，实现了液-液相分离，生成富含溶剂的液相、致密溶液相用于结晶。NMR光谱表征结果显示，Phase 3的前驱溶液相、Phase 1的致密前驱液相之间的聚集过程相互区别，尤其是在晶化点附近。作者认为这种溶剂-溶质之间的相互作用在不同系统中有所区别，因此导致晶化之前形成不同的自组装过程。3）通过冷冻电镜表征方法，揭示成核之前的致密液相中形成小圆形聚集体簇，而且大小、形状分别对应于不同晶相。本文研究结果为控制、预测小分子自组装过程提供经验和指导。
晶体团簇学术QQ群：530722590Kathryn Ashe, Constructing complex crystals, Nat. Chem. 13, 211 (2021).DOI: 10.1038/s41557-021-00659-5https://www.nature.com/articles/s41557-021-00659-5Montis, R. et al. Complex structures arising from the self-assembly of a simple organic salt Nature 590, 275–278 (2021).DOI: 10.1038/s41586-021-03194-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-03194-y
3. Nature Biomedical Engineering：无线和无电池技术用于神经工程
电子、光电和微流控技术与活体生物系统接口的进展为能够询问和调节中枢和外周神经系统行为的多功能装置奠定了基础。除了在基础研究中的应用外，神经组织的接口也被开发用于治疗神经系统疾病。与神经组织连接的栓系和电池供电的装置会限制动物模型中的自然运动和阻止社会互动，从而限制了这些装置在行为神经科学研究中的应用。鉴于此，美国西北大学John A. Rogers院士和亚利桑那大学Philipp Gutruf等人在Nature Biomedical Engineering杂志上发表综述，讨论了微型化和超轻量化设备作为神经工程平台的最新进展，这些设备是无线的、无电池的和完全可植入的，具有与有线或电池供电的替代产品相匹配或超越的能力。1）研究人员概述了此类无线可植入设备中的最新技术，并将它们的设计和功能与系绳和电池供电系统的设计和功能进行了比较。还讨论了在生物相容性和气密性、无线数据通信和无线功率传输的背景下开发功能接口的材料选择和工程方法。尽管研究人员强调将这些技术用于基础神经科学研究和小型动物的多功能神经工程，但这些相同的平台还为可用于大型动物和人类的设备建立了策略和方法。 2）此外，这类具有光学、电学或流体功能的高级神经接口还可以将记录和刺激模式结合起来，用于基础研究或异常生理过程的实际治疗中的闭环应用。
柔性可穿戴器件学术QQ群：1032109706
Won, S.M., Cai, L., Gutruf, P. et al. Wireless and battery-free technologies for neuroengineering. Nat Biomed Eng (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00683-3
4. Science Advances：交叉互联通道分子筛实现分子扩散过程选择性控制
对于分离、催化等过程，分子的吸附、扩散过程通常需要两者选一，快速的扩散过程以较弱的吸附效应为代价。有鉴于此，中国科学院武汉物理与数学研究所郑安民等报道了在SCM-15分子筛上二甲苯的异常扩散效应（扩散和担载量相关），发现独特的“连续交叉通道”（由多个空腔融合而成）在分子选择性扩散过程中起到的关键作用。1）在较低的压力条件，强吸附位点、互联型通道为分子的旋转提供空间，促进二甲苯沿着Z方向扩散；当提高分子的摄取量，由于相互交联的通道降低了扩散能垒，因此扩散分子能够维持较高的扩散系数，优先选择沿着X方向进行快速运动。2）通过交联通道的弱吸附作用、较低的扩散能垒、大空间的协同效应，改善了具有连续交联通道的分子筛中分子的扩散。这种作用说明，通过控制分子担载量、分子筛的晶体形貌对分子筛进行调控。Zhiqiang Liu et al. Synergistically enhance confined diffusion by continuum intersecting channels in zeolites, Science Advances 2021, 7 (11), eabf0775DOI: 10.1126/sciadv.abf0775https://advances.sciencemag.org/content/7/11/eabf0775
5. Science Advances：WC-Co界面结构研究
金属-陶瓷的界面在科学技术两个角度上都有强大的吸引力，但是金属和非氧化物类型陶瓷之间的化学键成键并未得到广泛和深入的理解，而且溶质分子的偏析、界面结构转变过程更加难以理解。有鉴于此，福州大学喻志阳、加州大学圣迭戈分校骆建等报道了通过球差TEM和能量分散X射线、能量损失谱对WC-Co界面上的Ti-、V-、Cr-偏析现象进行研究。1）该体系中发生结构重构，形成三层具有偏析现象的超结构，能够促进电子结构从共价转变为金属态。DFT计算结果显示，WC和Co之间的界面三层结构中通过金属溶质浓度增加，金属性逐渐提高，揭示了复杂的界面超结构现象。2）通过原子分辨率HAADF、iDPC成像、EDS元素分布图、EELS分析的结合，对Ti-、V-、Cr-修饰的WC-Co界面结构上的原子结构、成键情况进行研究和分析。发现方向性共价成键促进了三层界面重构，产生电子结构上的逐步渐变。本文研究展示了金属-共价型陶瓷材料界面结构复杂现象，从原子分辨率对成键进行分析、对界面结构进行理解。
纳米合成学术QQ群：1050846953Can Yang, et al, Interfacial superstructures and chemical bonding transitions at metal-ceramic interfaces, Science Advances 2021, 7(11), eabf6667DOI: 10.1126/sciadv.abf6667https://advances.sciencemag.org/content/7/11/eabf6667
6. Science Advances：新型可循环使用的聚合物(P-C)n
在聚烯烃的(C-C)n链中，通过膦替换碳原子能够形成(P-C)n结构，因此可能产生一系列独特化学、物理性质，但是目前人们从未成功合成含有(P-C)n结构单元的大分子，有鉴于此，苏黎世联邦理工学院Hansjörg Grützmacher等报道了合成聚烯烃的加聚（addition polymerization）反应扩展至P=C双键。1）通过Cu(I)卤化物催化2-磷杂萘单体聚合，生成Mn分子量达到14~34 kDa的聚碳膦，聚合物中的膦上都和Cu(I)配位，而且配位的Cu(I)能够轻易的消除。与稳定性较高的聚烯烃相比，这种聚碳膦稳定性较弱，在光照条件、λ=365 nm的紫外照射条件中，聚合物能够解聚重新形成单体。单体能够进行循环利用，展示了一种“从摇篮到摇篮”的循环过程。由于聚碳膦中含有金属配位点，能够实现合成各种含金属的聚合物，实现性质的调控，可能在光电材料中有所应用。2）聚合反应实施。以2-膦杂萘作为原料分子，加入CuX在298 K中进行聚合反应：加入1.2倍量CuCl，在DCM中聚合反应3 h。加入3.6倍量PMe3，在DMF中反应2 h，消除聚合物中的Cu；加入1.2倍量CuBr，在DCM中聚合24 h。加入3.6倍量PPh3，在DMF/CAN中反应2 h，消除聚合物中的Cu；加入1.2倍量CuCl，在DMF中聚合15 h。加入5倍量PPh3，在CHCl3中反应1 h，消除聚合物中的Cu。
高分子材料学术QQ群：1053468397Yanbo Mei, et al, Coordination-induced polymerization of P═C bonds leads to regular (P─C)n polycarbophosphanes, Science Advances2021, 7(11), eabf4272DOI: 10.1126/sciadv.abf4272https://advances.sciencemag.org/content/7/11/eabf4272
7. Joule：超17％效率! 萘基噻吩亚胺基聚合物太阳能电池
开发新型的缺电子单体对于非富勒烯有机太阳能电池的未来发展至关重要。汕头大学Qinghe Wu和南方科技大学何凤等人了报道了一种新的缺电子的单体萘噻吩亚胺（NTI）和基于NTI的共聚物PNTB和PNTB-2T。NTI强大的吸电子能力可以有效降低聚合物的HOMO水平，从而有助于调整聚合物的物理性能，同时保持较低的HOMO值。
1）通过引入额外的噻吩进行的聚合物链修饰导致PNTB-2T的封闭π-π堆积和有序的聚合物链堆积，有利于提高器件性能。因此，用于PNTB-2T：Y6的太阳能电池器件显示出16.72％的效率，第三组分PC71BM将其进一步提高到17.35％，而用于PNTB：Y6的效率仅为3.81％。2）重要的是，基于PNTB-2T的设备具有出色的批次间可重复性。这些功能使该系列的聚合物供体非常有前途，同时该策略将推动用于有机太阳能电池（OSC）的高性能聚合物供体的未来发展。
光电器件学术QQ群：474948391Gongya Zhang，et al. Naphthalenothiophene imide-based polymer exhibiting over 17% efficiency，Joule, 2021DOI：10.1016/j.joule.2021.02.003https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121000787#!
8. Joule：16％效率！通过三元共混物的设计以实现高效全聚合物有机太阳能电池
为了获得更高的效率，迫切需要全聚合物有机太阳能电池（AP-OSC）。山东师范大学Tao Liu和香港科技大学颜河等人通过向PM6：PY-IT共混物中引入少量BN-T（一种B←N型聚合物受体），成功地将性能提高到16.09％。研究发现，基于PM6：PY-IT：BN-T三元共混物，BN-T使活性层结晶化，但同时略微减少了相分离，从而提高了激子的捕获和电荷传输。
1）从热力学角度看，BN-T倾向于驻留在PM6和PY-IT之间，并且其中的一部分微调了形态。此外，三元混合物中非辐射能量损失显著减少，并且两个受体之间能量和电荷转移并存。这些改进的性能表明，AP-OSC可能与基于小分子受体的AP-OSC相当，从而进一步增强了这种设备的竞争力。
光电器件学术QQ群：474948391Tao Liu，et al. 16% efficiency all-polymer organic solar cells enabled by a finely tuned morphology via the design of ternary blend，Joule, 2021DOI：10.1016/j.joule.2021.02.002https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121000775#!
9. Matter：二维石墨氮化碳薄膜的晶圆级生长
石墨氮化碳（g-CN）材料由于其非金属组成、适中的电子带隙和优异的稳定性等优点，使得人们长期以来一直期待将其扩展到光催化以外的光电子应用领域。然而，大规模合成结晶度高、厚度可调的均匀二维（2D）g-CN薄膜仍然是其应用的主要瓶颈。近日，郑州大学单崇新教授，董林教授，娄庆副教授报道了一种气相输送辅助冷凝（VTC）工艺来生长晶圆级和高度均匀的2D g-CN膜。1）研究人员利用密度泛函理论（DFT）中的第一性原理模拟了三聚氰胺分子的热缩合动力学，结果表明，三聚氰胺与庚嗪环基g-CN的简单缩合可以在550℃的温和温度下合成出高质量的g-CN薄膜。此外，g-CN薄膜可以在不同的衬底上生长，并通过调节生长时间比较容易地调节g-CN薄膜的厚度。研究人员还开发了一种水介导的2D g-CN薄膜的转移过程。2）研究人员首次研制了一种基于g-CN薄膜的紫外光探测器阵列器件。这种光电探测器在25 V电压下的响应度为207 mA W-1，开关比为250，响应时间为6 ms。利用图案化的g-CN光电探测器作为传感像素，研究人员构建了紫外（UV）成像系统。这项工作为2D g-CN薄膜的晶圆级生长提供了通用策略，为其在各种电子和光电器件中的应用奠定了坚实的基础。
二维材料学术QQ群：1049353403
Liu et al., Wafer-scale growth of two-dimensional graphitic carbon nitride films, Matter (2021),DOI：10.1016/j.matt.2021.02.014https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.02.014
10. Angew：压缩驱动团簇间反应合成非常规的金纳米团簇
超小金属纳米粒子（纳米团簇）中的活性核是否可以相互反应？当它们足够接近时会发生纳米团簇间的反应吗？为了解决这个基本问题，近日，中科院固体物理所Zhikun Wu，吉林大学Shuqing Jiang等研究了Au25(SR)18（SR：硫醇）这一被研究最多的金纳米团簇的固态纳米团簇反应，并发现将压力提高到5 GPa时可生成一种新的团簇。1）研究发现，将Au25(SR)18团簇置于5 GPa压力下，该团簇将转化为一新的团簇，Au32(SC2H4Ph)24。作者对Au32(SC2H4Ph)24团簇进行了质谱和热重等分析。2）单晶X射线单晶结构分析表明，Au32(SC2H4Ph)24团簇由bicuboid Au14核和三对互锁的订书针结构组成，这是以前从未报道过的，这使该团簇具有明显的光致发光特性。3）DFT计算表明Au32(SC2H4Ph)24团簇的订书钉结构对吸收性质有很大贡献。4）进一步的实验表明，压力（分子团簇间的距离）可以调节分子团簇间的反应，并且生成的产物不一定是热力学产物。该工作表明，高压方法是一种用于合成非常规且具有增强的应用性能的金属纳米团簇的新方法。
晶体团簇学术QQ群：530722590Zibao Gan, et al. Compression‐driven internanocluster reaction for synthesis of unconventional gold nanoclusters. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202014828https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202014828
11. Angew：通过化学供能实现了自复制分子复杂化
揭示复杂的生命系统是如何从简单的化学反应中产生的是现代科学的巨大挑战之一。自复制分子的系统进化可能是解答这一问题的关键。有鉴于此，荷兰格罗宁根大学的Sijbren Otto等研究人员，通过化学供能实现了自复制分子复杂化。1）研究人员发现，当一个自复制系统存在复制速度和复制子的降解速度相互竞争的机制时，小而快的复制子会让位于复杂而慢的复制子。2）研究人员发现，结构更复杂的复制子在催化模型反应时功能更全面。3）这些结果表明，通过化学供能，自复制系统可以维持在远离平衡的状态，从而生成在其他条件下不存在的更复杂的复制子。这一复杂化过程代表了取得开放式进化的一个重要的需求，即进化应允许更好更新的功能出现。Shuo Yang, et al. Chemical Fueling Enables Molecular Complexification of Self‐Replicators. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202016196https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016196
12. AM：YH6在高压条件中异常超导效应
通过传统给声子介导的耦合机制，应力稳定氢化物为发展高温超导材料提供了机会。有鉴于此，舒布尼科夫结晶学研究所Ivan A. Troyan，斯科尔科沃科学技术学院Artem R. Oganov、Alexander G. Kvashnin等报道了合成一种被研究者广泛了解的高温超导材料Im3-m-YH6，发现该材料中在166 GPa压力下，超导转换温度达到≈224 K。外推上临界磁场Bc2(0)达到116~156 T，这个结果比计算结果高2~2.5倍。同位素标记的TD6中（同位素系数达到0.4），导致Tc温度发生显著变化，支持了声子是导致超导性质提高的原因。1）在4 K温度进行电流-电压测试，临界电流Ic、临界电流密度Jc分别达到1.75 A、3500 A mm-2，这个数值比目前商业化的NbTi、YBCO更高。2）通过超导密度泛函（SCDFT）、非谐计算，揭示了材料具有的异常临界磁场，展示了其与传统Migdal–Eliashberg、Bardeen–Cooper–Schrieffer理论显著区别的超导性质，补充了超导机理。
Ivan A. Troyan et al. Anomalous High‐Temperature Superconductivity in YH6, Adv. Mater. 2021, 2006832DOI: 10.1002/adma.202006832https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006832
