华东师大Science，北大Science，段镶锋，孙学良，麦立强，李峰，郭再萍等成果速递丨顶刊日报

纳米人

2021-04-17

1. Science：首次破解植物亲和花粉授粉机制

华东师范大学生命科学学院李超课题组以十字花科中的模式植物拟南芥为研究对象，揭示出花粉-柱头相互识别的分子机理，从而在植物生殖发育领域，首次破解了开花植物识别本物种花粉，而拒绝其他物种花粉的根本原因。

Chen Liu, et al. Pollen PCP-B peptides unlock a stigma peptide–receptor kinase gating mechanism for pollination. Science, 2021.

DOI: 10.1126/science.abc6107

https://science.sciencemag.org/content/372/6538/171.full

来源华东师范大学官网

2. Science：机械驱动串联支架的3D喷射书写

Weyl半金属是一种三维无间隙拓扑相，在体能带中表现Weyl锥结构。根据能带理论，Weyl锥必须以成对形式出现，最小的Weyl锥数目必须为2个，同时Weyl锥的数目为2的半金属材料是一种理想的Weyl半金属（IWSM）。

有鉴于此，中科大潘建伟、陈帅，北京大学刘雄军等报道通过实验设计通过对超冷原子⁸⁷Rb的三维自旋-轨道耦合作用调控，成功实现了IWSM，而且通过均衡虚拟切片成像技术揭示了其演变的动态过程。

2. Sci. Adv.：机械驱动串联支架的3D喷射书写

在整个生物医学领域中，一直存在对可控、可扩展并与不同材料兼容的高精度微印刷工艺的需求。静电纺丝技术可提供可扩展性和与多种聚合物的兼容性，但通常缺乏精确的三维（3D）控制。有鉴于此，韩国忠南大学Kyung Jin Lee和密歇根大学Joerg Lahann等人发现在3D喷射书写过程中的电荷反转可以实现精确设计的3D结构的高通量生产。

本文要点：

1）射流的轨迹是由不稳定电荷-电荷斥力和恢复性粘弹力的平衡控制的。电压极性的反转降低了射流所携带的净表面电势，从而抑制了在常规静电纺丝过程中通常观察到的弯曲不稳定性的发生。

2）在没有弯曲不稳定性的情况下，可以实现聚合物纤维的精确沉积。可以将相同的原理应用于使用针阵列的3D喷射书写中，由于其前所未有的结构控制，复合材料可以经历可逆的形状转变。

Seongjun Moon et al. 3D jet writing of mechanically actuated tandem scaffolds. Sci. Adv. 2021, 7 (16), eabf5289.

DOI: 10.1126/sciadv.abf5289.

https://advances.sciencemag.org/content/7/16/eabf5289

3. Nature Commun.：为机器人定制一个自修复软泵

软材料方面的最新进展使机器人能够拥有更安全的人机交互方式和自适应运动，但在不受束缚的应用中开发通用驱动电源以实现驱动、速度、便携性和可靠性之间的性能权衡仍然存在重大挑战。有鉴于此，浙江大学邹俊教授和Chao Zhang等人介绍了一类利用电能通过电子和离子迁移机制泵送液体的全软电子泵。

本文要点：

1）软泵具有良好的便携性和出色的驱动性能。开发的特殊功能液体融合了独特的电驱动特性和自修复功能，为自修复流体动力系统提供了一个方向。还可定制软泵的外观和可泵性，满足不同机器人的个性化需求。

2）软电子泵提供了一些有前景的特性：全软结构、强大的驱动力、快速响应、长寿命、良好的可控制性、出色的便携性、高耐用性、多功能性、自修复性、易于制造和低成本。此外，软电子泵还可以与自制的微型高压电源转换器结合使用，将其完全植入到现有的大多数软机器人中，摆脱束缚，获得自由，这是无束缚软机器人发展的巨大进步。

Wei Tang et al. Customizing a self-healing soft pump for robot. Nat. Commun. 2021, 12 (1), 2247.

DOI: 10.1038/s41467-021-22391-x.

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22391-x

4. Nature Commun.: 调整P2层状氧化物的局部化学性质以提升钠离子电池的能量密度和寿命

钠离子电池（SIB）由于其成本低廉和资源分布广泛而被认为是一种适用于大规模储能和智能电网的下一代电池技术。电池的性能和成本主要受所用正极材料所影响目前主要有层状过渡金属氧化物，磷酸盐，普鲁士蓝类似物等。其中，层状过渡金属氧化物在钠离子电池正极材料中延期最为广泛。但是，由于过渡金属层在钠离子插入脱出时会发生滑动而导致相变使得容量不稳定，这严重阻碍了它们的发展。为了应对这一挑战，近日，南开大学化学学院李福军研究员等人报道了一种将大尺寸的K⁺铆接在P2-Na_0.612K_0.056MnO₂的棱形Na⁺位中，产生了热力学上更有利的Na⁺空位。

本文要点：

1）将138 pm的大直径K⁺铆接在P2-Na_0.612K_0.056MnO₂中Na⁺的边缘共享位点上，这导致Na_0.612K_0.056MnO₂中的晶片间距离仅为0.56 nm，使得在K⁺具有高的扩散势垒，因此结构稳定。

2）Na-O键强度和Na⁺空位形成能降低，可供更多的Na⁺的嵌入脱出。增强的MnO₆-八面体层有利于P2-Na_0.612K_0.056MnO₂的结构稳定。

3）原位X射线衍射（XRD）表明，在循环过程中，高充电电压下不会出现不可逆的相变。实验证明，该材料以Mn³⁺/Mn⁴⁺作为氧化还原对，具有240.5 mAh g^-1的高比容量，以及654 Wh kg^-1的高能量密度，具有良好的循环稳定性和倍率性能。

4）Mn-O键得到增强，减少了充电和放电过程中的相变，其在低电压下仅发生P2<->P’2的两相转变。

Chenchen Wang et al. Tuning local chemistry of P2 layered-oxide cathode for high energy and long cycles of sodium-ion battery. Nature Communications volume 12, Article number: 2256 (2021)

DOI: 10.1038/s41467-021-22523-3

http://doi.org/10.1038/s41467-021-22523-3

5. Nature Commun.：通过稳定的聚合物发光二极管实现生物信号的连续检测

超柔光学设备由于其对人体皮肤的出色适应性，已广泛用于下一代可穿戴电子产品中。长期健康监测还要求将超柔性光学设备与能量收集电源集成在一起。使设备自供电。然而，由于超柔性聚合物发光二极管在空气中的工作稳定性较差，因此将超柔性光学传感器与电源进行系统级集成是具有挑战性的。东京大学Takao Someya等人通过结合稳定的聚合物发光二极管，有机太阳能电池和有机光电探测器，开发了用于光体积描记图监测的超柔性自供电有机光学系统。

本文要点：

1）超柔聚合物发光二极管采用倒置结构和掺杂的聚乙烯亚胺乙氧基化层，即使在空气下工作11.3小时仍可保持70％的初始亮度。而且，集成的光学传感器通过聚合物发光二极管表现出高线性，光强度指数为0.98。这种自供电，超柔韧的光电容积描记器传感器以每分钟77次的搏动频率执行脉搏信号监测。

Jinno, H., Yokota, T., Koizumi, M. et al. Self-powered ultraflexible photonic skin for continuous bio-signal detection via air-operation-stable polymer light-emitting diodes. Nat. Commun. 12, 2234 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22558-6

6. Chem. Soc. Rev.综述：用于高温电容储能的介电聚合物

聚合物是高能量密度电容器中电介质的首选材料。运输的电气化和对先进电子产品日益增长的需求，要求聚合物介质能够在高温下高效运行。有鉴于此，美国宾夕法尼亚州立大学Qing Wang和劳伦斯伯克利国家实验室Yi Liu等人综述了近年来用于高温电容储能的介电聚合物的研究进展。

本文要点：

1）在讨论一般设计注意事项时，重点放在阐明高温下电介质聚合物的高场强介电性能和电特性以及电容性能（包括放电能量密度、充放电效率和可循环性）的结构依赖性。

2）近十年来，基于各种结构设计方法，聚合物电介质的高温电容性能得到了显著改善。应该对聚合物电介质的结构进行新颖的分子设计，以平衡电介质稳定性，低传导性和介电损耗以及在高温和高电场下的高K值，并实现出色的能量和功率密度。需要对与结构相关的高温导电机理、介电性能和电容性能进行系统研究。更关键的是，未来的研究将致力于研究聚合物介电材料在环境温度和高温下与结构有关的失效机理。

3）需要进行大量研究以检查和改善在极端条件下运行的聚合物电介质的抗故障性和可靠性。多尺度的理论建模和先进的纳米尺度成像有助于进一步理解聚合物电介质在不同操作条件下的失效和自清除机制。机器学习算法和现有材料数据可以用来创建介电/电气性能和电容性能预测的替代模型。计算科学和数据科学可以加速聚合物结构和合成方案的合理设计。只有通过化学、材料科学与工程、电气工程和应用物理等领域的合作，才能使聚合物电介质等高度跨学科领域实现快速发展。

He Li et al. Dielectric polymers for high-temperature capacitive energy storage. Chem. Soc. Rev. 2021.

DOI: 10.1039/D0CS00765J.

https://doi.org/10.1039/D0CS00765J

7. Chem：二维半导体单层的高效剥离和有机/无机人工超晶格的重组

高纯单分子层的可扩展制备对于在不同技术中实际集成二维（2D）半导体至关重要，但仍然是一个持久的挑战。以往利用有机铵插层剥离2D层状晶体的方法，由于其自延缓效应阻碍了相邻层间的完全插层，通常只能得到几层纳米薄片。

近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋教授报道了一种独特的“插层和分离”过程，其减轻了自延缓效应，并最终在整个大块晶体中实现了完全的插层，而没有可能会导致不必要的结构损伤或相变的过高过电位。特别地，当插层诱导的机械应变超过2D晶体的面内屈服应变时，外表面最初的插层可能会自然地从块体上脱落，暴露出下面的新层以供继续插层，并消除先前插层的自阻效应。

本文要点：

1）以In₂Se₃为模型体系，研究人员发现晶体表面不断刷新，从表面到核心可以进行持续的“插入和分离”过程，直到整个大块晶体被消耗，从而实现了溶液分散的2D半导体单层整体的完全插入和高产率剥离。这种独特的自刷新过程具有通用性，可以从具有高插层应变的大尺寸大块层状晶体（例如In₂Se₃、InSe和Bi₂Se₃）中制备出高纯度的2D单分子层。

2）更进一步，研究人员展示了剥离的2D半导体单层可以作为组装有序分子/2D杂化超晶格的通用构件，具有交替的分子层和无机2D单层，从而开发了一类具有原子调制化学组成、广泛可调的结构周期和特定的电子和声子输运特性的多功能人工超晶格。

总之，这项研究展示了一种独特的插层化学，提供了一种可行的低成本的化学方法来制备高纯度的2D半导体单层和具有可调结构和功能的大面积杂化超晶格材料。

Lin et al., High-yield exfoliation of 2D semiconductor monolayers and reassembly of organic/inorganic artificial superlattices, Chem (2021)

DOI：10.1016/j.chempr.2021.03.022

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.03.022

8. Matter：3D打印聚合物相变材料复合材料的热能调节

相变材料（PCM）是被动控制建筑物采暖和制冷的一种有力选择。有鉴于此，德州农工大学Emily B.Pentzer等人提出了一种在光固化树脂基体中利用球形PCM颗粒作为粘度调节剂的直接书写（DIW）技术来生产和打印PCM填充的油墨。

本文要点：

1）成功地打印了高达63 wt％ PCM的油墨，这些油墨具有出色的热调节能力，并且在200个熔化/固化循环中几乎没有泄漏。加热后，用PCM填充墨水打印的空心房屋的温度比外部环境低40％。

2）可以将具有不同熔点的PCM同时集成到树脂中并进行打印，而不会损害其结构或完整性。该方法使用PCM颗粒作为3D打印和被动热管理的粘度调节剂，以产生有效的热缓冲剂，并且其与各种光聚合物基体和PCM兼容，而无需事先对PCM进行微囊化。

Peiran Wei et al. Thermal energy regulation with 3D printed polymer-phase change material composites. Matter 2021.

DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.019.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521001260

9. EES综述：硫化物电解质驱动的全固态锂电池：从基础研究到实际工程设计

基于硫化物电解质（SE）的全固态锂电池（ASSLB）由于其比常规锂离子电池（LIB）更高的安全性和更高的能量密度而赢得了全世界的关注。然而，SE差的空气稳定性，不良的界面反应，差的固-固离子接触以及基础研究与实际工程之间的巨大差距阻碍了SE基ASSLB的商业化。有鉴于此，西安大略大学孙学良教授等人旨在结合基础研究和工程学的观点，合理设计具有高能量密度的实用SE基ASSLB，包括SE、界面和实用的全固态软包电池。

本文要点：

1）首先，综述了典型的伪二元、伪三元和伪四元SEs的最新进展，并提出了提高离子电导率和化学电化学稳定性的有效策略。阐明了通过调节Li⁺浓度、Li⁺空位、晶体结构和位点无序性可以进一步提高SEs的离子电导率。通过纳米结构设计和化学成分调整可以改变化学和电化学稳定性。特别是软硬酸碱（HSAB）理论指导下的掺杂对于发展空气稳定的SEs非常有效。

2）此外，还对正极和负极界面的挑战和策略分别进行了综述，还采用了先进的原位表征技术和理论计算方法，以更好地了解ASSLB的界面。在正极界面，通过界面涂层可以防止界面反应，特别是使用锂导电涂层材料。可溶性SE可以改善不良的固-固离子接触。在负极界面，锂枝晶的形成、体积变化和界面反应是三个突出的挑战，可以通过原位形成的SEI缓解这些挑战。金属表面Li改性，SE改性，外加压力，降低电子导电性等。同时，建议今后的研究工作应以超薄锂箔为基础，这对固态软包电池的实际工程设计具有直接的指导意义。

3）举例说明了基于SE的全固态锂离子电池和全固态锂硫电池。最重要的是，使用实用的工程参数设计了面向能量密度的全固态软包电池。所提出的设计可以作为一个定量的框架来预测未来基于SE的全固态软包电池的实际能量密度。此外，对于SE基ASSLBs的生产，对常规浆料涂覆技术和新兴的干电极工艺进行了回顾。最后，介绍了SE基ASSLBs中的未来方向和观点。

这一全面的综述不仅提供了对SE基ASSLBs的基本和深入理解，而且可以指导实用全固态软包电池的工程设计，从而推动SE基ASSLBs向商业化迈进一步。

Changhong Wang et al. All-Solid-State Lithium Batteries Enabled by Sulfide Electrolytes: From Fundamental Research to Practical Engineering Design. Energy Environ. Sci. 2021.

DOI: 10.1039/D1EE00551K.

https://doi.org/10.1039/D1EE00551K

10. NSR: 锂硫电池中金属有机框架材料的应用

锂硫（Li-S）电池被认为是最有潜力的下一代动力电池系统，但是，迫切需要找到合适的材料来解决一系列挑战，例如穿梭效应和锂枝晶生长。金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一种多功能多孔材料，可用于锂电池的不同部位。近年来，MOF在Li-S电池中的应用得到了迅速发展。

有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授和Xu Xu等人，综述了MOFs在Li-S电池阴极、隔膜和电解质等各个方面的最新进展。详细讨论了影响MOFs性能的因素以及MOFs在不同部位的工作机理。最后，提出了MOFs在Li-S电池中应用面临的机遇和挑战。

本文要点：

1）总结了MOF在Li-S电池各个部分中的应用。包括阴极主体，隔膜和电解质。在分析近年来MOF在Li-S电池中的应用进展的基础上，详细讨论了MOF在Li-S电池不同部位的工作机理。还分析了影响MOF性能的因素，包括吸附多硫化物的能力和均匀离子沉积的作用。

2）尽管在过去十年中，MOF在Li-S电池中的应用取得了一系列令人振奋的进展，但Li-S电池中MOF的发展，特别是商业发展，仍然受到一些问题的限制，一些重要的机理还没有得到充分的认识。因此，应关注关键因素和潜在的发展方向。(1) 应从多个方面考虑MOF孔结构对Li-S电池的影响。（2）设计并在隔板上构造均匀，完整的MOF涂层。（3）开发大规模制备基于MOF的分离器的新方法。(4) MOF基电解质将是一个潜在的发展方向。（5）选择更合适的策略以将MOF应用于Li-S电池的锂金属阳极保护。（6）应发展低成本，大规模制造MOF材料，以促进其产业化。(7)开发基于MOF材料的高能量密度商用锂电池。

3）尽管存在挑战，但MOF在Li-S电池中的应用已得到迅速发展，这也为将来用于Li-S电池的新型基于MOF的材料的开发指明了更好的方向。选择适合大规模工业生产的低成本MOF材料，开发具有高能量密度和良好循环稳定性的商用Li-S电池将是最重要的研究方向。

Cheng Zhou et al. Metal-organic frameworks enable broad strategies for lithium-sulfur batteries. National Science Review, 2021.

DOI: 10.1093/nsr/nwab055

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab055

11. AEM综述：锂硫电池中金属有机骨架与电活性组分的可调相互作用的研究现状和前景

锂硫（Li-S）电池具有较高的理论能量密度，有望成为下一代最佳候选储能技术。而材料的快速发展使得Li-S电池向前迈进了一大步。然而，在实际应用中，其在循环寿命和效率方面仍有很大差距。其中，合理设计材料/电极至关重要。新兴的金属有机骨架（MOFs）是一类新型的结晶多孔有机-无机杂化材料。丰富的无机节点和可设计的有机连接物可以在分子水平上进行定制的孔化学，从而能够与Li-S电池中的电活性成分进行可调的相互作用。

近日，中科院金属研究所李峰研究员阐明了MOF的基本成分/结构与Li-S电池中电活性成分之间的相互作用，以指导MOF的精确功能驱动设计。

本文要点：

1）作者首先简要总结了Li-S电池的反应机理和存在的问题。其次，突出了MOFs在孔化学和形貌方面的结构优势。基于以上两个方面，提出了问题-结构-功能之间的关系，总结了MOF对电活性组分的输运和反应的调节作用。

2）作者最后展望了用于Li-S电池的MOF基材料的未来发展前景。

Fulai Qi, et al, Tunable Interaction between Metal-Organic Frameworks and Electroactive Components in Lithium–Sulfur Batteries: Status and Perspectives, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202100387

https://doi.org/10.1002/aenm.202100387

12. Small Methods综述：可充电镁硫电池的研究进展与展望

可充电镁硫（Mg-S）电池具有体积能量密度高、成本低、安全性高等突出优点，有望成为下一代候选储能技术。然而，它们的实际应用仍面临着巨大的挑战，即寻找能够满足多种严格要求的电解质以及高效的硫正极和镁负极。近日，澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授，山东理工大学Xinyu Zhao对Mg-S电池的研究现状进行了全面综述，总结了其最新研究进展。

本文要点：

1）作者首先概述了Mg-S体系的工作原理和电池反应背后的电化学原理，阐述了Mg-S体系面临的挑战。

2）作者然后总结了用于Mg-S电池的硫基正极所涉及的材料，并重点总结了提高正极性能的策略。在此基础上，对各种形式的Mg负极进行了研究，并提出了其未来的发展方向。

3）作者对Mg-S电池的电解质体系进行了详细的阐述。主要包括了对镁电解质的基本认识的详细总结和从镁盐结构（有机镁盐基电解质中的阳离子/阴离子设计、所有无机盐的选择和简单盐的采用）和溶剂选择两个方面对镁电解质的设计策略进行了系统性总结。此外，还总结了所设计的镁电解质对电池中其他金属成分的腐蚀问题，并对高性能Mg-S电池仍存在的挑战和未来的研究方向提出了个人见解。

Yan Lu, et al, Progress and Perspective on Rechargeable Magnesium–Sulfur Batteries, Small Methods 2021

DOI: 10.1002/smtd.202001303

https://doi.org/10.1002/smtd.202001303