顶刊日报丨谷林、支春义、曲晓刚、张晓兵等成果速递20230814
纳米人
2023-08-17
1. Nature Commun.：通过多材料3D打印制造具有多模式传感能力的聚电解质弹性体基离子电子传感器
在过去的十年里，可拉伸离子电子学引起了越来越多的关注，在工程和生物医学中有着无数的应用场景。然而，由于器件结构简单，现有的离子电子传感器的传感能力有限，同时由于成分泄漏，其稳定性也较差。南方科技大学杨灿辉和葛锜使用基于数字光处理（DLP）的3D打印和聚电解质弹性体，合理地设计和制造了大量具有多模传感能力的无泄漏离子电子传感器。1）研究合成了一种用于聚电解质弹性体的光聚合离子单体，该单体具有拉伸性、透明性、离子导电性、热稳定性和防漏性。由此打印的传感器具有坚固的接口和非凡的长期稳定性。2）多材料3D打印允许结构设计的高度灵活性，能够通过对设备架构的精心编程，以按需定制的灵敏度感测张力、压缩、剪切和扭转。3）此外，研究制造了集成的离子电子传感器，可以在没有相互信号干扰的情况下同时感知不同的机械刺激。研究展示了一个由四个剪切传感器和一个压缩传感器组成的传感套件，并将其连接到一个远程控制系统，该系统可被进一步编程以无线控制无人机的飞行。4）无泄漏聚电解质弹性体的多材料3D打印通过同时解决稳定性和功能性的缺陷，为制造可拉伸离子电子学开辟了新的途径。
Caicong Li, et al. Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing. Nature Communications. 2023DOI：10.1038/s41467-023-40583-5https://www.nature.com/articles/s41467-023-40583-5
2. Nature Commun.：成像官能团对金属-有机框架的动态影响
具有不同官能团的金属有机框架（MOFs）具有广泛的应用，但对MOF功能化的影响仍然理解不足。以往的研究主要集中在电子结构或化学环境的静态变化上，而在动态影响方面尚未进行深入探索，尤其是在功能化后动态变化的直接成像方面。清华大学王铁峰和陈晓使用积分微分相位对比扫描透射电子显微镜（iDPC STEM）直接“观察”UiO-66连接体中苯环的旋转特性，并观察到有机连接体上的官能团与局部刚性之间的高度相关性。1）上述刚性与CO2吸收的宏观特性相关，表明功能化不仅可以通过静态电子效应，还可以通过动态旋转特性来改变能力。2）该研究首次阐释了直接成像MOFs中连接体旋转特性的技术例子，为研究局部柔性提供了一种方法，并为在捕获、分离和分子机器中的潜在应用铺平了道路。
Boyang Liu, et al. Imaging the dynamic influence of functional groups on metal-organic frameworks. Nature Communications. 2023DOI：10.1038/s41467-023-40590-6https://www.nature.com/articles/s41467-023-40590-6
3. Nature Commun.：对固态锂金属电池聚合物电解质的思考
在锂离子电池(LIB)首次出现在商品市场之前，固态金属锂电池(SSLMB)被认为是很有前途的高能电化学储能系统，但由于安全问题，在20世纪80年代末几乎被淘汰。然而，经过30年的发展，LIB技术现在正在接近摇椅化学施加的能量含量和安全限制。这些方面正在促使在学术和工业层面上复兴小岛屿发展中国家的技术研究活动。近日，华中科技大学Heng Zhang，Zhibin Zhou，迪肯大学Fangfang Chen，巴斯克研究与技术联盟Michel Armand提出了对固体聚合物电解质(SPE)的个人思考，从早期的开发到它们在SSLMB中的实施，强调了关键的里程碑。1）考虑到C. Austen Angell在20世纪90年代初提出的耦合和解耦的SPE的概念，作者讨论了SPE的特征。2）作者还研究了改善SPE的物理化学和电化学性质的可能的补救措施。作者旨在强调在构建理想的SSLMBs方面的缺失块，并鼓励对未来可充电高能电池的创新电解液材料的研究。
Song, Z., Chen, F., Martinez-Ibañez, M. et al. A reflection on polymer electrolytes for solid-state lithium metal batteries. Nat Commun 14, 4884 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40609-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40609-y
4. Science advances：用于稳定激光的相纯2D卤化锡钙钛矿薄片
Ruddlesden-Popper锡卤化物钙钛矿是一类具有优异光电性质、高载流子迁移率和低毒的二维半导体材料。然而，相纯的2D TiN钙钛矿的合成仍然是具有挑战性的，与它们的铅同行相比，对它们的光电性质的基础了解还是不足的。在这里，西湖大学Enzheng Shi，浙江大学Haiming Zhu报道了通过混合溶剂策略合成了一系列具有高相纯度的二维锡钙钛矿大块晶体。1）通过改变量子阱厚度(与n值有关)和有机配体，其光电性质，包括光致发光、激子-声子耦合强度和激子结合能，都表现出很宽的可调性。此外，这些二维锡钙钛矿材料还表现出了优异的激光性能。2）研究人员成功地实现了高n值钙钛矿(n>1)和n=1锡钙钛矿薄片的激光泵浦。此外，2D TiN钙钛矿的激光可以维持到室温。研究发现突出了2D TiN钙钛矿作为高性能激光候选材料的巨大潜力。
Yahui Li, et al, Phase-pure 2D tin halide perovskite thin flakes for stable lasing, Sci. Adv., 9 (32), eadh0517.DOI: 10.1126/sciadv.adh0517https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0517
5. Science advances：下一代镁离子电池：多价金属离子存储的准固态方法
镁离子电池为当前的锂离子电池提供了一种安全、低成本和高能量密度的替代品。然而，非水镁离子电池的离子导电性很差，而水电池面临着一个狭窄的电化学窗口。之前，研究人员开发了一种盐中水电池，其工作电压高于2V，但仍低于非水电池，这是因为质子在阴极中的优势超过了镁离子的插入。近日，香港大学Dennis Y. C. Leung设计了一种准固态镁离子电池(QSMB)，它限制了氢键网络，实现了真正的多价金属离子存储。1）QSMB的能量密度为264 W·hour kg−1，比水镁离子电池高近5倍，电压平台(2.6V至2.0V)，优于其他镁离子电池。此外，它在零下温度(−22°C)下循环900后仍能保持90%的容量。QSMB利用水和非水系统的优势，为设计高性能镁离子电池和其他多价金属离子电池提供了一种创新的方法。
Kee Wah Leong, et al, Next-generation magnesium-ion batteries: The quasisolid-state approach to multivalent metal ion storage, Sci. Adv., 9 (32), eadh1181.DOI: 10.1126/sciadv.adh1181https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh1181
6. Science advances：用于纳米级可扩展二维阵列制作的量子点和棒的超快致密DNA功能化
具有纳米级精度的二维(2D)量子点(QD)和量子棒(QR)阵列的可伸缩制造是许多器件应用的需要。然而，由于QD和QR DNA功能化效率低下，使用DNA折纸的基于自组装的这种阵列的制造通常受到低成品率的影响。此外，在2D设备衬底上组织解决方案组装的DNA折纸阵列，同时保持其结构保真度是具有挑战性的。在这里，麻省理工学院Mark Bathe通过脱水和复水过程从有机溶液中制备高密度的DNA偶联量子点/QR，将制造时间从几天减少到几分钟。1）研究人员采用表面辅助大规模组装(SALSA)的方法，直接在固体衬底上构建二维折纸晶格，形成具有取向控制的QD和QR二维阵列，总负载率超过90%。2）制造方法使可伸缩、高保真的2D可寻址量子点和QR的制造成为可能，这些量子点和QR具有纳米级的定向和间距控制，用于功能2D光子器件。
Chi Chen, et al, Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision, Sci. Adv., 9 (32), eadh8508.DOI: 10.1126/sciadv.adh8508https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508
7. Science advances：超分子电解液在固态电池中的闭路阴极循环
解构固态电池(SSB)以物理方式分离阴极和固体电解质颗粒的工作仍然很密集，从回收材料中重新制造阴极和隔膜也是如此。为了应对这一挑战，劳伦斯伯克利国家实验室Brett A. Helms设计了超分子有机离子(ORION)电解质，这种电解质在电池工作温度(−40°C至45°C)下是粘弹性固体，但在100°C以上是粘弹性液体，这使得能够制造高质量的SSB并在寿命结束时回收其阴极。1）与锂金属阳极和LFP或NMC阴极一起使ORION电解质的SSB在45°C下运行数百次循环，容量衰减率低于20%。2）使用低温溶剂法，研究人员将阴极从电解液中分离出来，并证明了翻新后的电池恢复了初始容量的90%，并在第二次生命中保持了84%的容量，再循环100次。
Jiwoong Bae, et al, Closed-loop cathode recycling in solid-state batteries enabled by supramolecular electrolytes, Sci. Adv. 9, eadh9020 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adh9020https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh9020
8. Science advances：通过深度学习辅助应变传感器阵列无需定位即可监测血压和心功能
连续、可靠地监测血压和心功能对心血管疾病的诊断和预防具有重要意义。然而，现有的心血管监测方法体积大、成本高，限制了它们在早期诊断中的广泛应用。在这里，清华大学Yingying Zhang开发了一种基于共形柔性应变传感器阵列和深度学习神经网络的智能血压和心功能监测系统。1）该传感器具有灵敏度高、线性度高、响应和恢复快、各向同性高等优点。实验和仿真协同验证了该传感器阵列无需精确定位即可采集到高精度、特征丰富的腕部脉搏波。2）通过将高质量的脉搏波与训练有素的深度学习模型相结合，可以监测血压和心功能参数。3）作为概念验证，作者进一步构建了一个智能可穿戴系统，用于实时和长期监测血压和心功能，有助于个性化的健康管理、精确的早期诊断和远程治疗。
Shuo Li, et al, Monitoring blood pressure and cardiac function without positioning via a deep learning–assisted strain sensor array, Sci. Adv. 9, eadh0615 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adh0615https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0615
9. PNAS：用于硝酸盐高效合成氨的双金属合金纳米结构的原子配位环境工程
电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）制氨是平衡全球氮循环的一种有效策略。然而，在非均相电催化剂上，特别是在中性溶液中，它仍然存在法拉第效率（FE）差和氨生产产率有限的问题。在此，中国科学院Chu Shengqi、清华大学谷林、香港理工大学Huang Bolong、香港城市大学Fan Zhanxi报道了具有低配位Ru位点的超薄纳米片组装的RuFe纳米花的一锅合成，以提高其中性电解质中的NO3RR性能。1) RuFe纳米花在−0.30和−0.65 V下分别具有92.9%的优异氨FE和38.68 mg h−1 mgcat−1（64.47 mg h−1 mgRu−1）的产率。实验研究和理论计算表明，具有低配位Ru位点的RuFe纳米花具有优异的电催化活性。2) 此外，d带中心的增加可以保证有效的电子转移，从而降低硝酸盐还原的能垒。作者使用RuFe纳米花制成了大比容量的可再充电硝酸锌电池，进而表明了它们在下一代电化学能源系统中的巨大潜力。
Yunhao Wang et.al Atomic coordination environment engineering of bimetallic alloy nanostructures for efficient ammonia electrosynthesis from nitrate. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2306461120https://doi.org/10.1073/pnas.2306461120
10. EES：二维金属-有机骨架主体对水性非流动性溴化锌电池的吸附催化作用
水性非流动溴化锌电池（NF-ZBBs）具有低制造成本、良好的安全性和大容量，使其成为极具潜力的储能系统。然而，溴化物转化主体的性能在很大程度上受到多溴穿梭效应和缓慢氧化还原反应的阻碍。近日，深圳大学Liu Zhuolin、香港城市大学支春义、南方科技大学Li Hongfei开发了一种高性能的水性NF-ZBB，其中采用二维共轭镍多酞菁（NiPPc）作为吸附催化阴极主体。1) 该设计解决了现有NF ZBB中的穿梭效应、低溴利用率和低放电电压问题。实验测量和理论模拟都表明，NiPPc中原子分散的Ni–N4位点是溴氧化还原反应的有效位点，同时表现出对溴和多溴化物有效吸附的强极性。这种协同机制显著提高了全电池的电化学性能。2) 所制备的NF-ZBB在2 A g−1下表现出265 mAh g−1的大比容量，并且具有1.82 V的高放电电压平台。即使在5 A g−1的情况下，它也能达到240 mAh g−1，并在3000次充放电循环后保持约95%的容量。NiPPc主体以其独特的吸附催化机制克服了传统NF-ZBB的局限性，并成为构建高性能水性电池的一种有效途径。
Hua Wei, et al. Boosting Aqueous Non-Flow Zinc-Bromine Batteries with a Two-Dimensional Metal-Organic Framework Host: An Adsorption-Catalysis Approach. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01639K
11. Angew综述：靶点特异性生物正交反应的精准生物医学应用
中国科学院长春应化所曲晓刚研究员对靶点特异性生物正交反应的精准生物医学应用相关研究进行了综述。1）生物正交化学是对天然化学转化的一种重要补充，能够在自然环境中剖析生物过程。近年来，生物正交反应在疾病治疗领域备受关注，其可通过原位合成药物来提高药物的疗效和减少药物的不良反应。为了实现精准的生物医学应用，使反应发生在正确的位置以针对正确的治疗靶点是重要的先决条件。2）作者在文中重点介绍了用于精准治疗的靶向生物正交反应的设计原则和新兴前沿，总结了近年来用于实现靶点特异性生物正交反应的策略；随后，作者也介绍了其在不同治疗靶点的精准治疗中的应用；最后，作者对这一新兴领域面临的挑战和未来的发展方向进行了讨论和展望，以推动其实现安全、高效的临床转化和疾病治疗应用。
Zhengwei Liu. et al. Target-Specific Bioorthogonal Reactions for Precise Biomedical Applications. Angewandte Chemie International Edition. 2023DOI: 10.1002/anie.202308396https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202308396
12. Angew：生物发光传感器可利用与工程纳米荧光素酶结合的DNA酶进行体内金属离子的比率成像
DNA基探针因具有可编程性和生物相容性而成为生物化学分析的重要通用工具。然而，现有的大多数DNA基探针都会将荧光作为信号输出，其在应用于活细胞或组织等复杂的生物环境时会产生自发荧光和散射等问题。有鉴于此，湖南大学张晓兵教授和德克萨斯大学奥斯汀分校陆艺教授开发了生物发光核酸(bioLUNA)传感器，该传感器能够对体内靶标进行不依赖于激发光的比率成像。1）该系统基于计算模型和对环状排列的纳米荧光素酶(NLuc)和HaloTag之间的基因融合的突变研究，能够使该蛋白与DNA酶结合。在有Zn2+存在的情况下，该DNA酶传感器可释放荧光基团标记的链，导致荧光素酶和荧光基团之间的生物发光共振能量转移(BRET)减少，进而诱导生物发光信号发生比率变化。2）实验结果表明，这种bioLUNA传感器能够对体内外源性的Zn2+和正常上皮性前列腺和前列腺肿瘤中的内源性Zn2+外排情况进行成像。综上所述，该研究工作将DNA酶传感器拓展到生物发光领域，进一步丰富了核酸传感器的工具箱，有望实现更加广泛的生物医学应用。
Mengyi Xiong. et al. A Semisynthetic Bioluminescence Sensor for Ratiometric Imaging of Metal Ions In Vivo Using DNAzymes Conjugated to An Engineered Nano-Luciferase. Angewandte Chemie International Edition. 2023DOI: 10.1002/anie.202308086https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202308086
