清华Nature，北理工Science，段镶锋Nature Nanotechnol. 丨顶刊日报20221022
纳米人
2022-10-24
1. Nature：用于像差校正3D摄影的集成成像传感器
二维（2D）平面成像传感器使许多领域发生了革命性的变化，包括工业检测、移动设备、自动驾驶、监控、医学诊断、生物学和天文学，近年来围绕平面成像传感器的相关研究也迅速增加。然而，成像系统的实际性能基本上都受到透镜性能不全或环境干扰引起的空间不均匀光学像差等因素的限制。鉴于此，来自清华大学自动化系的戴琼海院士团队提出了一种集成扫描光场成像传感器（元成像传感器），用于实现高速像差校正三维摄影，且无需额外的硬件修改即可实现通用性应用。1) 该元成像传感器不是直接检测二维强度投影，而是通过振动编码微透镜阵列捕获超精细的四维光场分布，从而在后期处理中灵活而精确地合成复杂的场调制图像；2) 使用该传感器，研究者利用单个球面透镜实现说了高性能摄影，最高可达千兆像素，且无需事先获取数据，从而大大降低了系统容量和光学成像成本；3) 即使在存在动态大气湍流的情况下，元成像传感器也可以在1000弧秒范围内，在80厘米的地面望远镜上进行多点像差校正，同时不降低采集速度，这为高分辨率天气学天空勘测提供了潜在技术基础。Wu, J., Guo, Y., Deng, C. et al. An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography. Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05306-8https://doi.org/10.1038/s41586-022-05306-82. Science：用于超快醇水分离的高度柔性和超疏水性MOF纳米片膜高性能渗透汽化膜在工业分离应用中极具潜力，但克服渗透选择性权衡是一个挑战。近日，北京理工大学赵之平、冯英楠合成了用于超快醇水分离的高度柔性和超疏水性MOF纳米片膜。1) 作者在聚合物基质上创建具有蜂窝状结构的高度柔性金属-有机骨架纳米片（MOF-NS）膜，并将其用于超快醇-水分离。通过表面涂布法控制生长有效地制备了柔性且无缺陷的超疏水MOF-NS膜。2) 此外，作者用电子显微镜观察柔性MOF-NS的可逆变形和垂直层间通路。结合分子模拟证实了结构并揭示了其转运机制。MOF-NS中的超快传输通道在40℃下渗透蒸发5 wt%乙醇水时表现出超高通量和8.9的分离因子，表明其可用于生物燃料回收。同时，MOF-NS和聚二甲基硅氧烷协同促进分离性能。Xu Lihao et.al Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation Science 2022DOI: 10.1126/science.abo5680https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5680
3. Nature：利用光流调节不可观测性以控制飞行姿态
姿态控制是一种重要的飞行能力，虽然在人工体系中飞行机器人通常依赖加速度计来估计其飞行的姿态，但实际上飞行昆虫都缺乏明确的重力感。尽管已经有几个相关的感觉器官在姿态稳定中确立了关键作用，但飞行昆虫对内部重力方向估计的依赖性仍不清楚。最近，来自代尔夫特理工大学航空航天工程学院微型飞行器实验室的Franck Ruffier教授团队揭示了如何从光流中提取姿态，并将其与与加速度方向相关的运动模型相结合。该研究所提出的方法为机器人技术带来了希望，无加速度计自动驾驶仪为昆虫规模的自主飞行机器人提供了心的思路，有望进一步深入了解已知的生物现象并衍生新的预测。1) 尽管存在诸如悬停等姿态不可观测的情况，研究者们证实了优化后的控制系统可以保持稳定，并可以不断地在这些条件下进出；2) 飞行机器人的实验证实，以这种方式调节不可观测性可以实现稳定的、但稍微有点振荡的姿态控制；3) 此外，仿生扑翼机器人的实验结果表明，扑翼运动产生的残余高频姿态振荡提升了姿态的可观察性。de Croon, G.C.H.E., Dupeyroux, J.J.G., De Wagter, C. et al. Accommodating unobservability to control flight attitude with optic flow. Nature 610, 485–490 (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05182-2https://doi.org/10.1038/s41586-022-05182-24. Nature：测量的质子电磁结构偏离理论预测可见世界是建立在质子之上的，质子是自然界中唯一稳定的物质复合结构单元。因此，要想理解物质的形成，则需要充分解释质子束缚态的动力学和性质。质子的一个基本性质涉及系统对外部电磁场的响应，即电磁极化率（描述系统内的电荷和磁化分布如何容易被电磁场扭曲的参数）。此外，广义极化率描绘了受电磁场影响的质子密度的变形，揭示了有关潜在系统动力学的基本信息，并根据结合基本夸克和胶子成分的强相互作用理论，为解码质子结构提供了关键信息，然而有关质子的电广义极化率的仍不清楚。最近，来自坦普尔大学的J. Zhou团队首测测定了低四动量转移平方下质子的电磁广义极化率测量。1) 该研究证实了质子电广义极化率的行为异常，这与核理论的预测相矛盾，并在质子中激发极化的空间分布中得出了该行为异常的相关特征。2) 研究者的分析和测量结果表明，质子中应该存在一种新的、尚未被发现及理解的新型动力学机制，该发现突破了经典的核理论，为进一步理解质子束缚态的动力学和性质提供了新的方向。Li, R., Sparveris, N., Atac, H. et al. Measured proton electromagnetic structure deviates from theoretical predictions. Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05248-1https://doi.org/10.1038/s41586-022-05248-15. Nature Nanotechnol.：一种用于快速探测精细电子材料的顶栅晶体管的通用一步即插即用方法硅基电子器件的小型化推动了探索新电子材料的发展，包括二维半导体和卤化物钙钛矿，在苛刻的器件制造步骤中，这些材料通常过于精细，无法保持其固有特性。鉴于此，加利福尼亚大学段镶锋教授报道了一种用于快速探测精细电子材料的顶栅晶体管的通用一步即插即用方法。1) 作者报道了一种方便的插塞和探针方法，用于高k电介质和触点的一步同步范德华集成，以使顶部栅极晶体管具有原子清洁和电子尖锐的电介质和接触界面通过在二维半导体上应用插塞式和探针式顶栅晶体管堆叠，作者证明了理想的亚阈值摆幅为60 mVdec-1。2) 在精细的卤化铅钙钛矿上使用这种方法，作者实现了一个高k顶栅CsPbBr3晶体管，其工作电压低，双端场效应迁移率高达32 cm2 V−1s−1.这种方法可以扩展到厘米级的MoS2和钙钛矿，并生成顶部栅极晶体管阵列，提供了一种快速方便的方式来探索精细新兴材料的固有特性。Wang, L., Wang, P., Huang, J. et al. A general one-step plug-and-probe approach to top-gated transistors for rapidly probing delicate electronic materials. Nat. Nanotechnol. (2022).DOI: 10.1038/s41565-022-01221-1https://doi.org/10.1038/s41565-022-01221-16. Nature Chem.：反向氢化物穿梭催化可实现复杂骨架的立体选择性一步合成从简单的前体一步快速组装复杂的支架，从效率和可持续性的角度来看，这是一种理想的反应。事实上，尽管该学科取得了巨大进展，但复杂生物碱骨架的直接单步合成仍然是有机化学核心领域的一个尚未解决的问题。近日，维也纳大学Nuno Maulide实现了反向氢化物穿梭催化可实现复杂骨架的立体选择性一步合成。1) 作者提出了一种基于反向氢化物穿梭催化概念将动态组装的三元配合物转化为有价值的氮双环支架的广泛策略。三元配合物很容易由三种简单的前体原位构建，并且能够实现各种替代模式的高度模块化安装。2) 经过独特的双催化系统后，过渡中间体经历了由氢化物供体引发的氢化物穿梭过程。此外，作者还表明，结合不对称有机催化，获得优异的光学纯度生物碱骨架产物。Klose, I., Di Mauro, G., Kaldre, D. et al. Inverse hydride shuttle catalysis enables the stereoselective one-step synthesis of complex frameworks. Nat. Chem. (2022).DOI: 10.1038/s41557-022-00991-4https://doi.org/10.1038/s41557-022-00991-47. EES: 利用3D Ti3C2Tx网络动态封装液态金属组装集成自愈阳极以增强锂存储合金阳极由于其高理论容量，使其成为锂离子电池（LIB）的理想选择，以满足当今便携式电子设备和电动汽车的需求。然而，体积膨胀和不可逆粉碎的固有限制导致锂离子电池的容量急剧下降和循环寿命短。液态金属（LM）具有与生俱来的大容量，并继承了液体的可变形性，可以从根本上避免电化学反应过程中的大体积变化。近日，东南大学孙正明、南京航空航天大学张腾飞报道了一种简便的策略，即将2D Ti3C2Tx MXene自组装成3D架构，同时在单个“MXenecell”内原位封装共晶镓铟（EGaIn），从而合成具有高锂储存容量的自愈阳极。1) 在电池内部，从三元固态合金中提取锂离子将LM带回二元液态，从而实现开裂或粉碎结构的自愈过程；在电池外，Ti3C2Tx骨架的弹性网络缓冲了锂化EGaIn的体积膨胀。制备的LM-Ti3C2Tx阳极表现出优异的倍率性能（在5A g-1下为489 mAh g-1）和优异的循环稳定性（在5A g-1下4500次循环后为409.8 mAh g-1，容量保持率为90.8%）。2) 此外，作者还证明了可逆液固相变和形成独特的铟核/镓壳结构是其自愈性能的原因。该工作显示了解决合金基阳极材料固有体积膨胀问题的巨大潜力。Zhang Hanning et.al An Integrated Self-healing Anode Assembled via Dynamic Encapsulation of Liquid Metal with 3D Ti3C2Tx Network for Enhanced Lithium Storage EES 2022https://doi.org/10.1039/D2EE02147A8. Angew：超宽温度窗口下CO在H2中优先氧化的纳米多孔单晶氧化物催化剂在H2（PROX）反应中优先氧化CO是用于下一代质子交换膜燃料电池（PEMFC）的CO污染H2燃料的车载净化的一种极具潜力的解决方案。然而，在宽温度窗口内实现高CO选择性、活性和结构稳定性仍然是一个巨大的挑战。近日，中科院谢奎报道了宽温度窗口下CO在H2中优先氧化的纳米多孔单晶氧化物催化剂。1) 作者利用纳米级晶格表面沉积的Pt簇，从纳米多孔单晶Pr2O3和Nd2O3单体中制备了厘米级界面PROX催化剂。表现出前所未有的宽温度窗口（253-403 K），H2中CO可以完全和选择性去除。2) 单体与可运行的PEMFC集成，以净化被CO（30ppm）污染的H2燃料，并实现>400h的稳定功率输出；实现两千倍的寿命延长。该工作表明，纳米多孔单晶氧化物单体可以同时实现实现PEMFC所需的稳定性和整体性能。Li, W. and Xie, K. (2022), Nanoporous Single-Crystalline Oxide Catalysts for Preferential Oxidation of CO in H2 with an Ultra-wide Temperature Window. Angew. Chem. Int. Ed..DOI: 10.1002/anie.202212489https://doi.org/10.1002/anie.2022124899. Angew：化学耐久性镍和钴-氮化镧基氨合成催化剂的研究最近，金属氮化物配合物被提出作为利用双活性中心概念的氨合成的有效的非贵金属催化剂。然而，它们对空气和湿气的高灵敏度限制了其潜在应用。近日，东京工业大学Hideo Hosono、Masaaki Kitano、重庆大学鲁杨帆报道了化学耐久性镍和钴-氮化镧基氨合成催化剂的研究。1) 作者通过将Al引入LaN晶格，从而形成La−Al金属键（La−铝−N），从而提高它们的化学活性。所得TM/La−Al−N（TM＝Ni，Co）的催化活性及其机理与之前报道的TM/La相媲美。2) 值得注意的是，暴露于空气和湿气后，催化活性没有降低。动力学分析和同位素实验表明La−Al−N负责N2的吸收和活化，尽管大量Al被引入其晶格。该发现表明有效的金属键形成，可以维持稀土氮化物的化学稳定性，同时保持催化功能。Y. Lu, T.-N. Ye, J. Li, Z. Li, H. Guan, M. Sasase, Y. Niwa, H. Abe, Q. Li, F. Pan, M. Kitano, H. Hosono, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202211759; Angew. Chem. 2022, e202211759.DOI: 10.1002/anie.202211759?af=Rhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211759?af=R
10. Angew：揭示水系 Zn-MoS2 电池中的“质子润滑剂”化学
水系锌离子电池（AZIBs）中的质子插入化学由于其快速的动力学和额外的容量而成为研究热点。然而，人们尚未破解目前流行的MoS2 基 AZIBs 中的H+ 存储机制。近日，北京科技大学刘永畅教授，Ping Li报道了在正极材料和电解质的配制中通过合理的化学成功揭示了质子插入水系 Zn-MoS2 体系。1）研究人员通过剥离和回流工艺合成了一种新型 MoS2/PEDOT 杂化物，其中嵌入的 PEDOT 赋予 MoS2 显著扩大的中间层（从 0.62 到 1.29 nm）、良好的亲水性、高电子导电性和增强的层状结构。更重要的是，MoS2/PEDOT 正极表现出高度可逆的 H+/Zn2+ 共嵌入/脱出机制。2）研究发现，PEDOT诱导的共插入质子有效屏蔽了MoS2/PEDOT主体与二价Zn2+之间的静电相互作用，为促进Zn扩散提供了一种“质子润滑剂”的新概念。3）得益于独特结构和优化电荷存储机制的协同效应，MoS2/PEDOT 电极提供了前所未有的高倍率性能（0.1 A g-1 时，容量为 312.5 mA h g-1，15 A g-1时容量为 83.6 mA h g-1) 和超长的循环寿命（4000 次循环后容量保持率为 90.1%）。作为概念验证，由 MoS2/PEDOT 正极构成的准固态纤维状可充电锌电池即使在低温和严重变形状态下也表现出令人惊叹的电化学性能。Shengwei Li, et al, Unveiling the “Proton Lubricant” Chemistry in Aqueous Zinc-MoS2 Batteries, : Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI：10.1002/anie.202211478https://doi.org/10.1002/anie.20221147811. AM：非谐正负离子耦合动力学辅助锂离子在硫化物固体电解质中的扩散基于硫化物的锂超离子导体通常显示出比其他类型的电解质材料更高的锂离子电导率。近日，哈佛大学Li Xin通过非谐波耦合辅助锂离子扩散的视角揭示了这类材料中独特的锂离子导电行为。1) Li跳跃行为可以与各种类型的晶格动力学同时发生，而只有统计上重要的运动同步才能表明耦合。在这里，作者发展的方法能够直接评估这些运动之间的耦合强度，从根本上决定了特定类型的晶格运动是否真的与Li跳跃行为非谐耦合，以及耦合是否能促进Li扩散。2) 通过比较0K下的非简谐声子耦合计算与室温下Li离子电导率和振动态密度的从头算分子动力学计算，与典型的卤化物电解质相比，该研究揭示了原型硫化物电解质中的一个独特现象，即Li离子传导可以通过低频Li声子模式与高频阴离子拉伸或弯曲声子模式的非谐耦合而不是低频旋转模式来增强。耦合将Li离子推向扩散通道，以减少扩散势垒。Xu, Z., Chen, X., Zhu, H. and Li, X. (2022), Anharmonic Cation-Anion Coupling Dynamics Assisted Lithium-Ion Diffusion in Sulfide Solid Electrolytes. Adv. Mater.. 2207411.DOI: 10.1002/adma.202207411https://doi.org/10.1002/adma.202207411
12. ACS Nano：种子介导生长的双手性等离激元纳米粒子的圆二色性的可调逆转
具有固有手性结构的等离激元纳米粒子已成为一种很有前景的手性平台，可应用于生物传感、医学、催化、分离和光子学。对纳米粒子结构和光学手性之间相关性的定量理解变得越来越重要，但仍然是一项极具挑战性的任务。近日，武汉大学Qingfeng Zhang，Lichao Sun等研究发现种子介导生长的手性等离激元纳米粒子可以通过双手性中心的杂化来实现圆二色性反转，而不会反转几何手性。1）作者实验和理论结果证明了两种不同双手性几何体的相反的圆二色性。2）研究发现手性分子不仅有助于从分子到纳米粒子的手性转移，而且还可以控制纳米粒子的结构演变，从而协同驱动两个不同手性中心的形成。3）通过有意调整手性分子的浓度和其它合成参数，如还原剂浓度、封端表面活性剂浓度和金前驱体的量，可以实现双手性金纳米粒子的圆二色性反转。4）作者进一步证明了手性分子的结构和金种子的晶体结构在形成具有双手性中心的金纳米粒子中起着至关重要的作用。该工作不仅揭示了决定双手性等离激元纳米粒子有趣的几何和手性演化的潜在机制，而且还提供了一个重要的知识框架，指导双手性等离激元纳米结构的合理设计并走向手性应用。Xuehao Sun, et al. Tunable Reversal of Circular Dichroism in the Seed-Mediated Growth of Bichiral Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c08381https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08381
