功能器件前沿每周精选 | 0408-0414

纳米人

2019-04-18

每周一期，带你了解最新的功能器件前沿进展。由于学识有限，不能包罗所有，欢迎大家推荐或者投稿（inaoner@163.com），欢迎提意见！

1. Science：相互“视觉感知”的“两面神”粒子

生命系统中群体的形成通常是排斥、吸引以及列队作用三者之间微妙平衡的结果。德国康斯坦茨大学Clemens Bechinger团队发现，个体对周围其他个体的“视觉感知”而产生的仅有的运动方式变化能导致群体的形成和凝聚。作者在真实系统（运动方式由外部反馈回路控制的自驱动颗粒）中检测了这一原理。具体而言，作者实现了一种特殊的Janus（“两面神”）粒子，在光照条件下，只有当其能“看”到周围粒子时，才具有活性（自驱动性）。对于狭窄视野的情况，未经活性取向重排，颗粒个体即可凝聚成非极性颗粒群。在视野更宽阔的情况下，降低响应阈值可实现凝聚。这种运动诱导的凝聚机制不仅对生命系统的自组织十分重要，对于稳健、可扩展的自治系统的设计也具有价值。

图1：运动方式依赖于“视觉感知”的活性颗粒。

图2：凝聚的活性流体的形成及结构。

参考文献：

François A. Lavergne, Hugo Wendehenne, Tobias Bäuerle, Clemens Bechinger. Group formation and cohesion of active particles with visual perception–dependent motility. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aau5347

http://science.sciencemag.org/content/364/6435/70

2. Nature Biomed. Eng.：纳米传感器可通过分析尿液检测早期的免疫排斥反应

芝加哥大学Anita S. Chong团队介绍了一种基于纳米颗粒的传感器系统，它可以通过检测蛋白酶颗粒酶B的活性，从而对早期T细胞介导的免疫排斥反应进行分析。实验在移植了皮肤的小鼠模型上进行了对传感器效果评价，证明该系统可以通过检测尿液中的荧光信号来分析排斥反应，而这种荧光信号是由免疫排斥反应诱导产生的蛋白酶颗粒酶B的水解作用生成再进入尿液中的。

参考文献：

Chong,A.S. Urinary nanosensors of early transplant rejection. Nature Biomedical Engineering, 2019.

https://doi.org/10.1038/s41551-019-0389-0

3. Nat. Rev. Phy.综述：黑磷及其等电子材料

2D和分层材料已经迅速发展了十多年。其中黑磷及其等电子基团,IV族单卤代化合物具有独特的地位。这些褶皱材料具有独特的晶体对称性并表现出各种独特的特性，例如高载流子迁移率、强红外响应性、宽可调带隙、面内各向异性和自发电极化。Fengnian Xia, Han Wang和Li Yang等人回顾黑磷及其等电子材料的基本属性，着重于新的电子和光子器件概念和新的物理现象，并讨论其未来的发展方向。

参考文献：

Xia, F.,Wang, H., Hwang, J. C. M., Neto, A. H. C. & Yang, L. Black phosphorus andits isoelectronic materials. Nature Reviews Physics, 2019.

Doi:10.1038/s42254-019-0043-5.

https://doi.org/10.1038/s42254-019-0043-5

4. Science Advances：1089S cm^-1，超高导电聚合物问世！

在物联网时代，人们已经离不开有机电子器件。社会对电子印刷产品，可拉伸电子器件以及柔性显示器和触摸板，基于柔性传感器和驱动器的可穿戴电子器件需求日益增长，而柔性，可湿加工的高导电聚合物则是其中的关键材料。近日，日本山梨大学HidenoriOkuzaki团队报道了一种完全可溶解的自掺杂高导电聚合物材料：S-PEDOT，不含添加剂情况下导电率高达1089 S cm^-1，比先前报道的S-PEDOT高出两个数量级，并且超过了PEDOT：PSS的电导率。研究表明，S-PEDOT的分子量是增加纳米晶体数量的关键，减少了相邻纳米晶体之间的平均距离和电荷载流子跳跃的活化能，从而实现最高的体相电导率。

参考文献：

Hirokazu Yano, Hidenori Okuzaki et al. Fullysoluble self-doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene) with an electricalconductivity greater than 1000 S cm⁻¹. Science Advances, 2019, 5, eaav9492

DOI: 10.1126/sciadv.aav9492

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav9492

5. 东华大学AM：一种超高力学性能的自修复弹性体

自修复材料在汽车涂层，电子皮肤和软体机器人等诸多领域备注关注。近日，东华大学ZhengweiYou及其团队报道了一种具有优异力学性能的新型自修复弹性体材料 Cu-DOU-CPU。Cu-DOU-CPU在室温下具有优异的力学性能，拉伸强度和韧性分别高达14.8 MPa和87.0 MJ m^-3。同时，Cu-DOU-CPU在室温下可以自发自愈，瞬间恢复拉伸强度为1.84 MPa，并持续增加至13.8 MPa，超过了所有其他同类产品的原始强度。密度泛函理论计算表明，Cu(II)-DOU配位键对于增强材料力学性能和促进自修复起到关键作用。进一步，研究团队基于这种Cu-DOU-CPU构建了可自修复和可拉伸的电路，展示了该材料的应用前景。

参考文献：

LuzhiZhang, Zhengwei You et al. A Highly Efficient Self‐Healing Elastomer with Unprecedented Mechanical Properties. Adv. Mater. 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901402

6. AM：用于电子织物的双链纤维状有机晶体管

智能电子织物是实现智能可穿戴技术的重要基础，纤维状电子器件既可以保持织物的优点，又可以实现设备的电子功能。近日，韩国KIST研究所Jung AhLim团队报道了一种具有双链电极微纤维组件的纤维状有机晶体管，可用于切换电流驱动的LED器件和检测来自人体的心电图信号。该工作的关键在于纤维晶体管的半导体通道由有机半导体涂覆的源极和漏极微纤维的扭曲组装而成。这种结构可以通过改变半导体层的厚度和两个电极微纤维的扭曲长度，来控制器件的通道尺寸，而且还可以在不影响与其他电子元件的链接的情况下钝化器件。研究发现，控制半导体层的晶体纳米结构对于改善器件的产率和器件中的电荷载流子传输至关重要。所得的纤维状有机晶体管在-1.3 V的低工作电压条件下显示出超过-5 mA的高输出电流和105的开/关电流比。在反复弯曲变形和用强洗涤剂洗涤后，器件性能仍然可以保持。

参考文献：

Soo JinKim, Jung Ah Lim et al. A New Architecture for Fibrous Organic TransistorsBased on a Double‐Stranded Assembly ofElectrode Microfibers for Electronic Textile Applications. Adv. Mater. 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900564

7. 李乐乐JACS：近红外光控DNA纳米器件用于对细胞和动物中的miRNA成像

纳米器件具有作为检测活细胞中miRNA的智能传感系统的潜力。然而，始终处于活动状态的纳米器件往往不足以实现具有高时空分辨率的miRNA传感。国家纳米科学中心李乐乐研究员团队利用DNA纳米技术构建了一种可激活的DNA纳米器件，该器件可用于在体内外检测miRNA且具有较高的近红外光控的时空精度。实验通过在上转换纳米颗粒(UCNPs)的表面进行功能化，使其带有DNA信标，从而构建了一种具有被紫外线激活的miRNA传感性能的DNA纳米器件。UCNPs可以吸收穿透深层组织的近红外光，并在局部发射高能紫外光从而实现传感。该纳米器件也可以自然地进入细胞，因此可以通过远程调节近红外光使其对活细胞中的miRNA进行荧光成像。此外，实验也证明该纳米设备可以被用于在活体小鼠肿瘤内对miRNA进行成像。这一工作表明DNA纳米器件在miRNA检测方面具有实现高时空分辨率的潜力，这也将为精确的生物和医学分析技术提供更多的技术支持。

参考文献：

Zhao, J., Chu, H.Q. et al. A NIR Light-GatedDNA Nanodevice for Spatiotemporally Controlled Imaging of MicroRNA in Cells andAnimals.

Journal of the American Chemical Society

DOI: 10.1021/jacs.9b01931

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b01931

8. AM综述：等离子体-纳米孔生物传感器用于单分子检测

等离子体传感器和纳米孔传感器在单分子检测领域受到了人们的广泛关注。等离子体传感器能够在纳米尺度上增强光激发作用，进而实现对表面分析物之间相互作用的光学检测。而纳米孔生物传感器则可具有分析物可穿过的分子尺度孔径，再随后通过电子或光学手段对其进行检测。最近，等离子体和纳米孔结构也已经被集成到单块器件中，作用不仅解决了单个传感方法各自的缺陷，也在改进检测灵敏度、检出率、停留时间和可伸缩性方面提供了很好的帮助。以色列理工学院Amit Meller教授团队综述了等离子体和纳米孔传感器的传感原理，重点介绍了它们在技术方面的互补性和提高单分子传感的性能的机理；介绍了近年来对等离子体-纳米孔器件的研究进展和等离子体-纳米孔器件的常见制备方法，并对其未来发展方向和应用领域进行了展望。

参考文献：

Spitzberg,J.D., Meller, A. et al. Plasmonic-Nanopore Biosensors for SuperiorSingle-Molecule Detection. Advanced Materials,2019.

DOI:10.1002/adma.201900422

https://doi.org/10.1002/adma.201900422

9. AFM：验证可植入的带血管蒂肝芯片治疗动物疾病的效果

人工肝模型已广泛应用于病理建模和毒理学研究。然而，由于肝脏的结构和功能较为复杂，在现有的体外肝模型上的结果很难与在体内观察到的现象相对应。延世大学医学院Soo Han Bae教授团队和Hak-Joon Sung教授团队合作设计了一种新的肝脏模型用于3D水凝胶中植入和维持肝芽生长，并可以在200微米的扩散极限内形成微血管网络。该系统可以模拟复制非酒精性脂肪肝进展过程中产生的炎症、脂质积累和纤维化，并可以成功预测在小鼠模型上的治疗结果。并且在该模型上的实验表明，一种肝脏降脂药物能够恢复细胞的线粒体活性并显著降低炎症、氧化应激和脂质积累。因此该肝脏模型不仅具有很好的预测能力，而且具有可扩展性，能应用于高通量药物筛选和研究，为替代动物模型提供了一个很好的选择。

参考文献：

Lee, J.B., Bae, S.H., Sung, H.J. et al.Implantable Vascularized Liver Chip for Cross-Validation of Disease Treatmentwith Animal Model. Advanced Functional Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201900075

https://doi.org/10.1002/adfm.201900075

10. AFM：分子偶联的二氧化钛和碳化物片用于可穿戴高倍率准固态电池

为了满足人们对可穿戴电子器件的使用需求，尤其是那些使用固态电解质并以高倍率运行的电子设备，迫切需要产生高性能、灵活轻便的供电电极。在本文中，苏州大学材料学院的耿凤霞教授团队通过规则地堆叠在分子水平上偶联的二维二氧化钛和碳化物片成功地实现了具有理想的机械稳定性和高电化学性能的自支撑电极。该电极具有优异的倍率性能（在3.4分钟内可实现高达114mAh/g的容量）杰出的循环稳定性（在1000mA/g的电流密度下循环1000周后容量保持率高达93%）。得益于上述优势，采用聚乙二醇二胺基凝胶聚合物电解质的柔性安全锂离子全电池在能量密度为59Wh/kg时保持功率密度为1412W/kg。重要的是，在机械变形和多次断裂和自愈循环后，优异的电化学性能得到了良好的维持，证明了在可穿戴式动力装置中实际应用的可行性。

参考文献：

Jinli Wu, Fengxia Geng et al, MolecularlyCoupled Two‐Dimensional TitaniumOxide and Carbide Sheets for Wearable and High‐Rate Quasi‐Solid‐State Rechargeable Batteries. Advanced Functional Materials, 2019.

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201901576

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201901576

11. ACS Nano：高性能反双极性器件助攻高密度数据存储

反双极性器件同时存在正跨导和负跨导，在逻辑电路设计中有着广泛的应用前景如倍频器，二进制相/频移键控电路和三值反相器，其优势在于可以简化电路设计，进一步提高芯片集成度。但高性能反双极性器件的制备，一直是一个难题。近日，天津大学胡晓东、刘晶团队和南加州大学Chongwu Zhou团队，利用一种快速、非易失的光电掺杂方法，实现了任意MoTe₂/MoS₂异质结器件由双极性到反双极性可控转变，且该反双极性器件展现超高的开关比(达到10⁵ ，相比于之前同行的工作，提升了1-4个数量级)和大的开态电流(mA级)。基于该反双极性器件，团队设计了可调的多值反相器，有望打破基本的2-bit位限制，实现高密度数据存储。

参考文献：

Enxiu Wuet al. Photo-Induced Doping to Enable Tunable and High-PerformanceAnti-Ambipolar MoTe₂/MoS₂Heterotransistors, ACS NANO,2019.

DOI:10.1021/acsnano.9b00201

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.9b00201