Science/Nature系列8篇,“两面神”粒子、压电力显微镜等成果速递丨顶刊日报20190413
纳米人 纳米人 2019-04-13
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。


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图1:运动方式依赖于“视觉感知”的活性颗粒。

 

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图2:凝聚的活性流体的形成及结构。

FrançoisA. Lavergne, Hugo Wendehenne, Tobias Bäuerle, Clemens Bechinger. Groupformation 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. Science:旋涂外延薄膜

用于光刻的光刻胶或用于太阳能电池的钙钛矿的旋涂薄膜是无定形或多晶的。近日,密苏里科学技术大学Jay A. Switzer团队表明,无机材料的外延薄膜,如CsPbBr3,PbI2,ZnO和NaCl可通过简单地将材料或前驱体的溶液旋涂到材料上沉积到各种单晶和单晶状基底上。旋涂薄膜的面外和面内取向由基底决定。在旋涂期间产生的薄的滞留过饱和溶液层促进了材料在单晶衬底上的异质成核,而不是在本体溶液中的均匀成核,并且有序的阴离子粘合剂可降低表面上成核的活化能。该方法可用于生产功能材料,例如无机半导体或沉积水溶性材料。


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Kelso, M. V. et al. Spin coating epitaxial films. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aaw6184

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/166/tab-pdf

 
3. Nature Photonics:38.6% EQE! 高效蓝色热激活延迟荧光发光二极管

表现出热活化延迟荧光的材料有望实现有效的有机发光二极管。然而,寻找合适的深蓝色热活化延迟荧光材料仍然具有挑战性。近日,庆熙大学Ju Young LeeJangHyuk Kwon报道了两个高效的深蓝色热激活延迟荧光发射体,即TDBA-Ac和TDBA-DI,这两种发射体主要由氧桥,对称和刚性硼受体部分组成。

 

TDBA-Ac和TDBA-DI在甲苯中分别表现出深蓝色发射和小的单重态-三重态能隙,分别为0.06 eV和0.11 eV。DBFPO主体中掺杂20wt%TDBA-Ac和TDBA-DI的膜分别显示出93%和99%的高光致发光量子产率。研究人员制备的TDBA-DI器件在蓝色区域中显示出极高的外部量子效率,达到38.15±0.42%,在高达5,000cdm-2的高亮度下具有25.2%的低滚降特性。此外,基于TDBA-Ac掺杂的器件外部量子效率达到21.50±0.22%,深蓝色坐标为(0.15,0.06)。

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Ahn, D. H. et al. Highly efficient blue thermally activateddelayed fluorescence emitters based on symmetrical and rigid oxygen-bridgedboron acceptors. Nature Photonics, 2019.

DOI: 10.1038/s41566-019-0415-5

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0415-5

 
4. Nature Photonics:驯服随机激光器

随机激光器因其不可预测性而臭名昭着。尽管随机激光器具有许多不寻常的特性,但它们不太可能实现像传统激光器那样得到普遍接受,除非完全理解控制其操作的基础激光机制并且其外来特性得到适当调节。最近的局部随机激光示范被认为是该领域的突破,然而,激光现象的起源和这些装置的可控性尚未得到充分解决。近日,首尔大学Heonsu Jeon团队通过实验证明,光子带尾本征态-光子安德森局域化表现-造成随机激光中的无序光子晶体。进一步地,研究人员证明了控制带尾状态为最终调节随机激光提出十分有效的策略。


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Lee,M. et al. Taming of random lasers. Nature Photonics, 2019.

DOI:10.1038/s41566-019-0407-5

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0407-5#article-info

 
5. Nature Biomed.Eng.:高靶向性纳米药物用于癌症治疗

新南威尔士大学Maria Kavallaris团队设计了一种包覆了对pH敏感的紫杉烷前药和表面抗体修饰的纳米颗粒MM-310,这种纳米药物可以靶向肿瘤中过表达的受体EphA2,从而大大提高了活性药物在多种动物模型中的耐受性和抗癌效率。实验结果表明,MM-310在多种肿瘤小鼠模型中具有非常显著的治疗效果,这也为未来研究靶向EphA2的纳米治疗药物治疗临床实体肿瘤的应用奠定了良好的基础。

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Moles, E.,Kavallaris, M. A potent targeted cancer nanotherapeutic. Nature Biomedical Engineering, 2019.

DOI: 10.1038/s41551-019-0390-7

https://doi.org/10.1038/s41551-019-0390-7

 

6. 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。


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

DOI: 10.1038/s41551-019-0389-0

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

 
7. Nature Commun.:阈值开关器件中的自发电流收缩

阈值开关器件对于包括固态存储器和神经形态电路的众多应用是至关重要的。非线性特征被认为与自发的电流收缩相关,但其程度和潜在机制仍无定论。卡耐基梅隆大学的Marek Skowronski团队采用扫描焦耳膨胀显微镜来证明这点。在具有热激活导电性的功能层中,当器件偏置到负微分电阻区域时,电流自发地逐渐收缩。研究表明,在对应于器件电压的相同值下,可能具有多个电流密度分布。


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Goodwill, J. M., Ramer, G., Li, D., Hoskins,B. D., Pavlidis, G., McClelland, J. J., Centrone, A., Bain, J. A. &Skowronski, M. Spontaneous current constriction in threshold switching devices.Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09679-9

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09679-9

 
8. Nature Commun.综述:压电力响应显微镜

压电力响应显微镜(PFM)已成为纳米纤维材料领域的主流技术之一。近日,内布拉斯加大学Alexei Gruverman团队发表关于PFM最新综述。该综述描述了PFM从成像技术到一系列先进方法的演变,这些方法在开展铁磁研究的新领域(如多铁性器件和畴壁纳米电子学)方面发挥了关键作用。此外,作者还回顾了先进PFM模式对新纳米铁电现象的发现和科学理解的影响,并讨论了正确解释PFM数据相关的挑战。最后,作者展望了PFM未来趋势和发展。


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Gruverman, A. et al. Piezoresponse forcemicroscopy and nanoferroic phenomena. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09650-8

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09650-8

 
9. EES:钠离子电池固态电解质界面的纳米结构及其对微米级Sn负极的影响

在钠离子电池中,醚类电解质通常能够赋予负极以优异的电化学性能,即便对于充放电过程中体积膨胀巨大的微米级合金类负极也具有正面作用。人们通常认为醚类电解质能够形成更加坚固的固态电解质界面(SEI),但其中的机理尚不明确。在本文中,研究人员揭示了金属Sn负极在醚类电解质和酯类电解质中不同的SEI结构。他们采用低温透射电子显微镜,结合X射线光电子能谱和密度泛函理论计算对原始SEI结构进行了探测。在醚类电解质中SEI膜很薄且在类聚合物基质中会分散着无定形颗粒。这种独特的纳米结构表现出优越的机械弹性,并在合金电极大体积变化的情况下呈现出异常的稳定性,电化学测试和原子力显微镜都证明了这一点。


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Jiaqiang Huang et al. Nanostructureof solid electrolyte interphases and its consequences for microsized Sn anodesin sodium ion battery. Energy & Environmental Science, 2019.

DOI: 10.1039/C8EE03632B

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C8EE03632B#!divAbstract

 
10. ACS Energy Lett.:热冲击诱导锂枝晶愈合的展望

枝晶生长严重阻碍了锂金属负极的实际应用。最近有研究报道称电池的自放热可以有效抑制电池内部的枝晶生长。为了研究这一现象,研究人员扩展了最近开发的非线性相场模型,将能量平衡方程纳入使用开源软件包MOOSE的完全热耦合电沉积模型中。本文将离子输运与电化学反应速率之间的相互作用视为温度的函数,探讨了利用热冲击抑制锂枝晶的可能性。研究人员发现自加热依赖于电化学反应能垒和离子扩散能垒,可以加速(更大的反应能垒)或减缓(更大的扩散能垒)枝晶的形成。考虑到电解质组分可用于调节两种能垒,本研究可为通过电解质工程更好地利用自热效应提供重要途径。


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Zijian Hong et al. Prospect of Thermal Shock Induced Healing of Lithium Dendrite. ACS Energy Letters, 2019.

DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00433

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsenergylett.9b00433

 
11. AEM:金属硫化物修饰的碳骨架用作高效电催化剂与吸附剂助力高载量Li2S电池

由于Li2S具有超高的理论比容量及其能够与无金属锂负极匹配的优势,Li2S被视为新一代锂硫电池中更安全高效的正极材料。然而,Li2S的低电导率和多硫化锂严重的穿梭效应限制了其在实际锂硫电池中的应用。在本文中,德州大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授电子科技大学陈远富教授将一维碳纳米线与具有高电导率的二维石墨烯片以及具有高效电催化活性和化学吸附能力的零维金属硫化物纳米点相交联构筑了一种双功能三维金属硫化物修饰的碳骨架(3DTSC)。

 

得益于多尺度的精妙设计,这种3DTSC显著抑制了多硫化锂的穿梭效应,提高了Li2S的利用率并促进了电子和离子的传输。因此,即便在8 mg/cm2的超高Li2S载量下,不含粘结剂和集流体的自支撑3DTSC-Li2S正极材料仍然能够保持高达8.44 mAh/cm2的面容量。


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Jiarui He et al. Metal Sulfide‐Decorated Carbon Sponge as a Highly Efficient Electrocatalyst and Absorbant for Polysulfide in High‐Loading Li2S Batteries. Advanced Energy Materials, 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201900584

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201900584

 

12. AEM具有协同储钠性能的软硬碳复合负极

为了研究结构特征对于储钠性能的影响,研究人员从生物质以及燃油废弃物中制备了一系列软硬碳复合负极材料并将其用作低成本钠离子电池负极材料。通过调整软硬碳比例,在1000摄氏度得而较低碳化温度下复合负极能够在30 mA/g的电流密度下表现出282 mAh/g的储钠容量,同时首周库伦效率高达80%。该电化学性能优于在同等碳化温度下获得的单独的软硬碳负极材料。软硬碳复合负极的协同作用归因于软碳阻塞了部分硬碳的开放孔道,从而抑制了SEI膜的形成并增加了储钠容量。


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Fei Xie etal. Hard–Soft Carbon Composite Anodes with Synergistic Sodium Storage Performance. Advanced Energy Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201901072

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201901072

 
13. AFM:11.87%! 配体工程助力高效α-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

立方相CsPbI3(α-CsPbI3)钙钛矿量子点(QDs)由于其全无机组成和合适的带隙(1.73 eV)而受到广泛关注。 然而,由于其表面配体容易损失,α-CsPbI3 QD可能转化为δ-CsPbI3(具有2.82 eV的间接带隙的斜方晶相)。此外,常用的长链配体(OA和OLA)阻碍了电荷的传输。近日,Yueli LiuYupeng Zhang以及Han Zhang使用OA,OLA,辛酸和辛胺作为配体,合成高质量的α-CsPbI3 QD。研究结果表明,与仅用OA和OLA的QD相比,这些QD表现出优异的光学性质和长期稳定性。此外,具有较短配体的QD表现出增强的电荷传输速率,光伏器件的功率转换效率从7.76%提高到11.87%。

 

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Chen,K. et al. Short-Chain Ligand-Passivated Stable α-CsPbI3 Quantum Dot for All-Inorganic Perovskite Solar Cells. Advanced Functional Materials, 2019.

DOI:10.1002/adfm.201900991

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201900991

 

14. AFM:纳米酶-水凝胶平台用于捕获和消除细菌

滥用抗生素会导致细菌产生多重耐药性,这也促使研究人员去探索治疗细菌感染的新方法。而纳米酶的出现则为对抗细菌提供了新的策略。纳米酶可以模拟天然酶的功能,诱导产生具有抗菌作用的高毒性活性氧(ROS)。但是纳米酶与细菌之间往往缺乏有效的相互作用,而且活性氧的寿命短和扩散距离差等缺点也降低了其杀菌的活性。而长期留在感染区域的死细菌也会引起组织炎症。中科院长春应化所任劲松研究员曲晓刚研究员团队首次构建了一种纳米酶-水凝胶平台来作为抗菌药物。这种具有正电荷和大孔特性的纳米酶-水凝胶能够产生ROS从而消灭细菌。更重要的是,纳米酶-水凝胶还可以消除死细菌,从而大大降低了后续产生炎症的风险。


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Sang, Y.J., Ren, J.S., Qu, X.G. et al.Construction of Nanozyme-Hydrogel for Enhanced Capture and Elimination of Bacteria. Advanced Functional Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201900518

https://doi.org/10.1002/adfm.201900518

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