顶刊日报丨冯新亮、夏永姚、庞代文、葛子义、余彦等成果速递20230825
纳米人
2023-08-30
1. Nature Commun.：X 射线自由电子激光器具有高度可配置的波荡器和集成减速通道可实现定制的脉冲特性
X射线自由电子激光器(FEL)是最先进的科学工具，能够在原子过程尺度上研究物质。自十多年前X射线FEL首次运行以来，多个性能升级的设施已投入运行。在这里，保罗·谢勒研究所Eduard Prat展示了Athos的第一个激光结果，这是瑞士PaulScherrer研究所SwissFEL的软X射线FEL光束线。1）Athos采用基于短APPLE-X模块的波荡器布局，提供完整的偏振控制，并与小型磁性减速弯道交错。2）这种多功能配置允许多种操作模式，从而可以控制许多FEL属性。例如，展示了相对于标准波荡器配置，实现FEL饱和所需的波荡器长度减少了35%。此外，还演示了比典型波荡器产生的脉冲更强大的脉冲的产生。Athos代表了FEL设施设计的根本性进步，为基于FEL的科学创造了机会。
Prat, E., Al Haddad, A., Arrell, C. et al. An X-ray free-electron laser with a highly configurable undulator and integrated chicanes for tailored pulse properties. Nat Commun 14, 5069 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40759-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40759-z
2. Nature Commun.：光驱动复合薄膜的仿生旋转飞行
光驱动致动器在不同类型的应用中具有巨大的潜力。然而，由于它们的响应速度慢、挠度和力输出小、频率响应低，在飞行设备中的应用仍然是具有挑战性的。近日，受藤枫种子结构的启发，苏州大学Bin Dong，北京化工大学Feng Shi，马克斯普朗克智能系统研究所Metin Sitti报道了一种超快自转(~7200转/分钟)、快速响应(~650ms)的直升机状旋转飞行光驱动器(对0.6W/cm2近红外光的响应)。1）这种光致动器基于一种完全不同的机制，依赖于光热石墨烯和吸湿性琼脂/丝素成分之间的协同作用、随后的空气动力学有利的螺旋桨形成、喷气推进和基于空气动力学的飞行。2）这种类似直升机的软光致动器表现出可控的飞行和转向行为，使其在软机器人和其他微型设备中具有广阔的应用前景。
Wang, D., Chen, Z., Li, M. et al. Bioinspired rotary flight of light-driven composite films. Nat Commun 14, 5070 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40827-4https://doi.org/10.1038/s41467-023-40827-4
3. Nature Commun.：可重构手性格子足设计的灵巧电驱动软机器人
灵巧的运动，如在快速运动时立即改变方向或重新配置形状来执行不同的任务，是动物基本的生存策略，这在现有的软机器人中还没有实现。在这里，上海交通大学Guoying Gu，Dong Wang提出了一种小型灵巧软体机器人，它由一个主动介电弹性体人工肌肉和可重构的手性格子脚组成，在单电压输入下的快速运动中可以立即和可逆地向前、向后和圆周方向变化。1）这种结构设计的电动软体机器人可以与智能材料相结合，在外界刺激下进行形状重构，实现多通道功能。2）实验证明，我们的灵巧软机器人可以到达平面上的任意点，形成复杂的轨迹，或者降低高度通过狭窄的隧道。所提出的结构设计和形状可重构性可能为下一代具有灵巧运动的自主式软机器人铺平道路。
Wang, D., Zhao, B., Li, X. et al. Dexterous electrical-driven soft robots with reconfigurable chiral-lattice foot design. Nat Commun 14, 5067 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40626-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40626-x
4. Nature Commun.：水脉冲电化学通过一锅级联方法促进 C−N 键形成
以无机氮废料为原料，电催化生成C−N键是一种新兴的可持续合成有机胺的方法，但其反应范围受到限制。集成多相和均相催化一锅反应来构建C−N键是非常可取的。在这里，天津大学张兵教授，Yongmeng Wu报道了水中脉冲电化学高产率地将亚硝酸盐和芳基硼酸转化为芳胺。1）整个过程包括亚硝酸盐在铜纳米阴极上电还原成氨，然后在切换阳极电位下，原位溶解的铜(II)催化NH3与芳基硼酸偶联。2）这种脉冲方案还促进了亲核Arb(OH)3−的迁移，导致阴极表面附近的OH−消耗，加速了C−N的形成，并抑制了苯酚的副产物。铜(II)可以通过易电镀的方法回收。3）广泛的底物范围，15N标记芳胺的现成合成，以及对环加成和Click反应的方法学扩展突出了这一巨大的前景。
He, M., Wu, Y., Li, R. et al. Aqueous pulsed electrochemistry promotes C−N bond formation via a one-pot cascade approach. Nat Commun 14, 5088 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40892-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-40892-9
5. EES：一种无整流电路的液滴驱动肖特基二极管恒流发生器
肖特基接触由能垒构成，通过增强内置电场来实现整流、检测和储能。作为一种利用肖特基接触的器件，肖特基金属-半导体-金属（MSM）具有独特的传输特性。然而，自然界中微刺激对MSM的调节很少被研究，使其应用仅限于光电子领域。在这里，上海交通大学Yang Zhuoqing、Wang Hui、休斯顿大学Bao Jiming报道了肖特基MSM在单水滴刺激下可产生高达400µA的直流电。1) 这一超高输出是MSM系统中电荷重新分布的结果，该系统通过摩擦电势在肖特基势垒上施加偏置电压，从而控制内置电场并促进载流子传输。2) 作者进一步证明了基于MSM结构的肖特基二极管阵列可以在不增加整流电路的情况下通过多个水滴刺激产生恒定电流，从而大大提高了能量转换效率。该工作中提出的MSM调节机制将促进MSM在无源网络中的广泛应用，如能量收集、液滴逻辑电路和流体监测。
Yahui Li, et al. A constant-current generator by water droplets driving Schottky diode without rectifying circuit. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02280C
6. Angew：链式聚合制备精密石墨烯纳米带异质结
石墨烯纳米带（GNRs）被认为是下一代纳米电子学的潜在候选者。在这类材料中，GNR异质结由于其在异质界面处的奇异拓扑电子相而受到了相当大的关注。然而，对它们的精确合成研究仍处于初级阶段。德累斯顿工业大学冯新亮报道了一种新型链生长聚合策略，该策略允许构建具有N=9个扶手椅和人字形GNR片段的GNR异质结（9-AGNR/cGNR）。1）该合成涉及2-（6’-溴-4,4’-二贸易基-[1，1’：2’，1’-三苯基]-3’-基）硼酸酯（M1）和2-（7-溴-9,12-二苯基-10,11-双（4-十四烷基苯基）-三苯基-2-基）硼酯（M2）之间的受控Suzuki Miyaura催化剂转移聚合（SCTP），由此得到的嵌段共聚物（poly-M1/M2）再进一步进行Scholl反应。2）FT-IR、拉曼和UV-vis光谱等检测显示，通过溶液介导的环脱氢作用可使聚-M1/M2转变为9-AGNR/cGNR。此外，研究还证明了由未取代的共聚物前体可在表面上形成9-AGNR/cGNR，并通过扫描隧道显微镜（STM）进行了明确的表征。
Jinjiang Zhang, et al. Precision Graphene Nanoribbon Heterojunctions by Chain-Growth Polymerization. Angew. 2023DOI：10.1002/anie.202310880https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202310880
7. Angew：通过耐高浓度酸和盐的多头基表面活性剂稳定的智能乳液
保持乳液在高酸度和高盐度下的稳定性仍然是一个巨大的挑战。近日，江南大学Jianzhong Jiang报道了一种新型的多头基团表面活性剂(C3H7-NH+(C10COOH)2，di-UAPAc)，它可以随着pH的变化在阳离子、阴离子和两性离子之间进行可逆转化。1）在强酸(pH=2)中稳定的OID乳液可以被低浓度的二UAPAc和二氧化硅纳米颗粒共同稳定。在pH=2的高盐度下，diUAPAc通过氢键促进了diUAPAc在二氧化硅颗粒上的吸附，导致OID乳液转变为Pickering乳液。2）此外，OID和Pickering乳液之间的乳化/破乳和相互转化以及粘度和液滴大小的控制都可以由pH触发。本工作为表面活性剂的设计提供了一种新的方案，可用于石油开采和污水处理等苛刻的水介质中的各种应用，如强酸性和高盐度。
Wanqing Zhang, et al, Smart Emulsions Stabilized by a Multi-headgroup Surfactant Tolerant to High Concentrations of Acids and Salts, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202310743DOI: 10.1002/anie.202310743https://doi.org/10.1002/anie.202310743
8. Angew：构建水系锌电池固体电解质中间相
锌负极的枝晶和析氢等问题严重降低了锌电池的性能。固体电解质中间相（SEI）对于实现锂负极在非质子有机溶剂中的高可逆性起着关键作用，也有利于锌负极在水性电解质中性能的提高。然而，有关锌电极界面的各种研究相当分散，缺乏对SEI结构的根本原因或一般设计规则的深入理解。而高反应活性的水分子给有效的SEI构建带来了严峻的挑战。近日，浙江师范大学Jianhang Huang，复旦大学夏永姚教授阐明了SEI构建方法和方法背后的形成机制之间的联系（主要关注内置SEI而不是人工SEI，它们是在电池循环过程中自发形成的，即良好的自愈性能）。1）作者首先回顾了锌电池的简要发展历史，然后总结了在水性电解质中构建SEI的方法。2）作者系统分析了方法背后的形成机制，讨论了SEI的组成以及不同类型SEI锌阳极电化学性能的评估。同时，还讨论了实验室和工业化之间面临的挑战。
Yating Li, et al, Constructing Solid Electrolyte Interphase for Aqueous Zinc Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202309957DOI: 10.1002/anie.202309957https://doi.org/10.1002/anie.202309957
9. Angew：“双锁钥”NIR-II NSCyanines用于肝外疾病的高对比度可激活光学诊疗
传统的花菁染料具有对称的结构，且呈现"常亮"状态，易在肝脏内蓄积并产生较高的肝脏本底荧光，从而不可避免地干扰对肝外疾病的准确诊断和治疗。有鉴于此，南开大学熊虎研究员和庞代文教授利用一种非对称策略开发了一种NIR-II非对称花菁染料(NSCyanine)平台。1）该染料对pH/粘度非常敏感，可以通过“双锁钥”策略激活。研究发现，具有低pKa(<4.0)的NSCyanine染料只会在溶酶体pH条件(key1)下产生微弱的荧光。然而，在疾病组织中，NSCyanine的荧光会被细胞内粘度(key2)完全开启和显著增强，从而表现出高达19.5/1的靶点-肝脏信号比。2）实验结果表明，NSCyanine可实现对肝外疾病的高对比度光学诊疗，包括肠道转移瘤成像、急性胃炎成像、促进细菌感染伤口愈合以及通过靶向光热-化学联合治疗消融肿瘤等。
Yang Tian. et al. “Dual-Key-and-Lock” NIR-II NSCyanines Enable High-Contrast Activatable Phototheranostics in Extrahepatic Diseases. Angewandte Chemie International Edition. 2023DOI: 10.1002/anie.202309768https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202309768
10. Angew：尺寸选择性离子交联提供可拉伸的混合离子-电子导体
机械顺应性导体对于软电子和机器人等新兴领域至关重要。然而，由于机械性能和电荷迁移率之间的权衡，本质可变形有机导体的发展仍然是一个挑战。在这项研究中，耶鲁大学Mingjiang Zhong，南洋理工大学Pooi See Lee报道了一种基于尺寸选择性离子交联的解决方案。1）这种由长度可调的低聚(乙二醇基)基团和金属离子介导的合理设计的交联剂同时提高了聚(3，4-乙二氧基噻吩基)：聚苯乙烯磺酸盐复合材料的柔韧性，并确保了良好的混合离子-电子导电性能。2）此外，添加的离子显著促进了载流子在温度梯度下的积累，从而为增强湿度稳定性的可伸缩热电发电机提供了一种可行的方法。
Junwoo Lee, et al, Size-Selective Ionic Crosslinking Provides Stretchable Mixed Ionic–Electronic Conductors, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202306994DOI: 10.1002/anie.202306994https://doi.org/10.1002/anie.202306994
11. AM: 延展性低聚受体修饰的柔性有机太阳能电池表现出优异的机械稳定性和接近 18% 的效率
高功率转换效率（PCE）和机械鲁棒性是有机太阳能电池（OSC）可穿戴应用的关键要求。然而，几乎所有包含聚合物供体（PD）和小分子受体（SMA）的高效光活性薄膜都是机械脆性的。在这项研究中，中科院宁波材料所葛子义报道了通过将延性寡聚受体 (DOA) 纳入 PD:SMA 系统中，制备了高效 (PCE = 17.91%) 和机械鲁棒性（裂纹起始应变 [COS] = 11.7%）的柔性 OSC，代表了目前最先进的柔性 OSC。1）研究人员对具有不同 DOA 的 D18:N3 的光物理、机械和光伏性能进行了表征。2）通过引入具有更长柔性烷基连接基和更低聚合度的DOA DOY-C4，基于D18:N3:DOY-C4与基于 D18:N3 的器件（PCE = 17.06%，COS = 7.8%）相比，柔性 OSC 表现出显着更高的 PCE（17.91%）和 50% 高的 COS（11.7%）。3）基于 D18:N3:DOY-C4 的柔性 OSC 在 2000 个连续弯曲循环后保留了 98% 的初始 PCE，显示出比参考器件更高的机械稳定性（保持了 89% 的初始 PCE）。经过仔细研究，研究人员假设机械性能的提高主要是由于三元共混薄膜中连接链或缠结的形成。这些结果表明 DOA 在实现高性能灵活 OSC 方面具有巨大潜力。
Qinrui Ye, et al, Ductile Oligomeric Acceptor-modified Flexible Organic Solar Cells show Excellent Mechanical Robustness and near 18% Efficiency, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202305562https://doi.org/10.1002/adma.202305562
12. ACS Nano：针对零应变V2O2.8@多孔网状碳的氧缺陷工程可实现超稳定钾储存
钾离子电池（KIBs）由于其高能量密度和低成本，是大规模储能装置的潜在候选者。然而，较大的钾离子半径导致其在嵌入电极材料的晶格期间表现出缓慢的扩散动力学，最终会导致电极粉碎和较差的循环稳定性。中国科学技术大学余彦和Hai Yang开发了用于KIB的具有不同氧空位浓度（通过中子衍射确定的V2O2.9、V2O2.8和V2O2.7）的三氧化二钒负极。1）研究重点研究了V2O2.8负极并发现，由于实现了扩大的层间距和有效的离子/电子传输，该材料表现出优异的储钾性能。原位X射线衍射表明，V2O2.8是零应变负极，在充放电过程中体积应变为0.28%。2）密度泛函理论计算表明，氧缺陷的影响体现在减小带隙、提高电子转移能力和降低钾离子的扩散能垒上。结果，纳米V2O2.8嵌入多孔网状碳中的电极(V2O2.8@PRC)提供了高可逆容量（在0.05 A g–1下为362 mAh g–1）、超长循环稳定性（在2 A g–2下3000次循环后容量保持率为98.8%）和优异的袋型全电池性能（在0.05 A.g–1时为221 mAh g-1）。这项工作提出了一种用于超稳定KIB的氧缺陷工程策略。
Zhihao Chen, et al. Oxygen Defect Engineering toward Zero-Strain V2O2.8@Porous Reticular Carbon for Ultrastable Potassium Storage. ACS Nano. 2023DOI：10.1021/acsnano.3c00706https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c00706
