JACS/AM 7篇,Manthiram、周豪慎、杨黄浩、刘斌等成果速递丨顶刊日报20190514
纳米人 纳米人 2019-05-14
1. Nature Chem.:低碰撞能下,受激原子与带电分子之间的反应阻塞效应

最近的进展实现了在前所未有的低温下研究原子-离子化学,允许精确观测化学反应和新颖的化学动力学。到目前为止,这些研究主要涉及原子与原子离子或非极性分子离子之间的反应,且这些粒子通常处于电子基态。有鉴于此,加州大学洛杉矶分校Prateek Puri团队研究了低温下原子-离子混合阱中激发态原子-极性分子离子之间的化学反应(Ca* + BaCl+),实现了对已有研究的扩展。

 

实验测量了反应速率和产物分支比,并将其作为原子量子态和碰撞能的函数,与模型计算结果进行了比较。在最低碰撞能下,化学动力学与捕获理论的预测结果有很大的不同:前者主要是由原子量子态的辐射寿命决定的,而不是潜在的激发态相互作用势。这种反应阻塞效应极大地抑制了短寿命激发态的反应活性,为直接探测反应范围提供了一种手段,也自然地抑制了混合阱实验中不需要的化学反应。


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图:激发态中性分子-离子系统中的反应阻塞现象。

Prateek Puri, Michael Mills, Ionel Simbotin,John A. Montgomery Jr, Robin Côté, Christian Schneider,Arthur G. Suits & Eric R. Hudson. Reaction blockading in a reaction betweenan excited atom and a charged molecule at low collision energy. NatureChemistry, 2019.

DOI: 10.1038/s41557-019-0264-3

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0264-3

 
2. Nature Mater.:BiFeO3薄膜室温多铁性的确定性光学控制

通过光学方法控制多个铁的性能(铁电性,铁磁性和铁弹性)是一个重大的挑战,因为有序参数耦合强度和入射光子之间的能量尺度存在很大的不匹配。台湾国立成功大学Yi-Chun Chen和Jan-Chi Yang等人展示了一种在环境温度下通过激光照射在外延混合相BiFeO3薄膜中操纵多个铁的性能的方法。相场模拟表明,光驱动的挠曲电效应允许有序区域的形成。还实现了精确的激光写入和不同域模式的擦除,这证明了室温下多铁性的确定性光学控制。由于铁的性能直接影响复杂材料的磁化率和导电性,该研究不仅揭示了多种功能的光学控制,而且还提出了光电子学及相关应用的可能发展。


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Liou,Y.-D.; Chiu, Y.-Y.; Hart, R. T.; Kuo, C.-Y.; Huang, Y.-L.; Wu, Y.-C.; Chopdekar,R. V.; Liu, H.-J.; Tanaka, A.; Chen, C.-T.; Chang, C.-F.; Tjeng, L. H.; Cao,Y.; Nagarajan, V.; Chu, Y.-H.; Chen, Y.-C.; Yang, J.-C. Deterministic opticalcontrol of room temperature multiferroicity in BiFeO3 thinfilms. Nature Materials, 2019.

DOI:10.1038/s41563-019-0348-x

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0348-x

 
3. Nature Commun.:共轭聚合物二极管中的高迁移率,无陷阱电荷传输

传统上认为共轭聚合物半导体中的电荷传输受限于通过显着的能量紊乱的低迁移率方案。最近,通过开发低无序共轭聚合物在推进场效应晶体管中的载流子迁移方面取得了进展。然而,在二极管中,这些聚合物迄今未显示出明显改善的迁移率。在二极管中,较低的载流子浓度可用于填充状态密度中的残余尾状态。卡文迪许实验室Mark Nikolka 和Henning Sirringhaus团队研究表明,低失调聚合物中的大量电荷传输受到水诱导陷阱状态的限制,并且通过将小分子添加剂掺入聚合物薄膜中可以显着降低它们的浓度。在掺入添加剂后,实现了类似于分子单晶的空间电荷限制电流特性,例如红荧烯具有高达0.2 cm2/Vs的高无陷阱SCLC迁移率。


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Nikolka,M.; Broch, K.; Armitage, J.; Hanifi, D.; Nowack, P. J.; Venkateshvaran, D.;Sadhanala, A.; Saska, J.; Mascal, M.; Jung, S.-H.; Lee, J. K.; McCulloch, I.;Salleo, A.; Sirringhaus, H. High-mobility, trap-free charge transport inconjugated polymer diodes. Nature Communications, 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-10188-y

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10188-y

 
4. JACS:高浓非水电解质溶液微观异质性的观察

开发能够描述非水电解质溶液结构和动力学的模型是一项十分具有挑战性的工作,并且这需要实验观察作为基础。在本文中,美国阿贡国家实验室的Jeffrey S. Moore和Y Z团队利用中子散射手段对非水有机电解液体系的分子动力学特征进行了表征。他们比较了两种电解质溶液:一种含有容易结晶的对称电解质分子,另一种含有倾向于无序状态的不对称电解质分子。对于后者来说,量热和中子数据表明其中无序流体在高浓度下可以承受非常低的温度,加热后会发生局部冷结晶进而导致液相中微晶固体发生爆裂成核。该项研究结果发现了高浓流体中存在的分子团簇并指出了溶剂化异质性和分子拥挤性。


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Lily A. Robertson, Jeffrey S. Moore et al. Observation of Microheterogeneity in Highly Concentrated Nonaqueous Electrolyte Solutions. Journal of the American Chemical Society, 2019.

DOI: 10.1021/jacs.9b02323

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b02323

 
5. JACS:自组装响应型双层囊泡用于增强的癌症成像和治疗

福州大学杨黄浩团队美国国立卫生研究院陈小元团队合作,将氧化铁-金纳米粒子(Fe3O4-Au JNPs)组装成磁性-等离子体双层囊泡用于活性氧(ROS)增强的肿瘤化疗。计算结果和实验数据证明了该双层囊泡具有增强的光学性能。由于粒子间磁偶极子相互作用和等离激元耦合作用,该囊泡的T2驰豫率和光声性能比单个JNPs都更强。在酸性肿瘤微环境中,对pH响应的囊泡可分解为单个JNPs,进而在细胞内进行PLHP和亚铁离子的生化反应,产生活性氧来增加细胞内氧化应激。通过结合ROS的细胞毒性和DOX诱导的化疗,该材料治疗肿瘤的效果十分显著。而利用放射性同位素64Cu对囊泡进行标记后则可利用PET成像证明其在肿瘤内的高效聚集和体内清除效率。


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JibinSong, Zhan-Wei Li, Huanghao Yang, Xiaoyuan Chen, et al. Self-Assembled Responsive Bilayered Vesicles with Adjustable Oxidative Stress for EnhancedCancer Imaging and Therapy. Journal of the American Chemical Society. 2019

DOI:10.1021/jacs.8b13902

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13902

 
6. AM:共轭聚合物纳米颗粒用于对脑和肿瘤血管的高分辨率三维近红外II区光声成像

外源性造影剂辅助的近红外II区高分辨光声显微镜成像(ORPAMI)具有深度穿透、高信噪比(SBR)和高成像分辨率等优点,有望可以用于对广域三维生物结构进行研究。新加坡国立大学刘斌教授团队报道了利用近红外II区共轭聚合物纳米颗粒(CP NP)进行ORPAMI可以用于对大脑和肿瘤血管的定位。

 

CP NPs1161 nm波长具有48.1 L g-1的消光系数,其PA敏感性高达2µg mL-1。实验证明,利用CP对小鼠耳朵的三维ORPAMI可以清晰地显示出规则的血管结构,在最大成像深度为539 μm时SBR为29.3 dB,分辨率为19.2 μm。通过三维血管成像,可以清晰地勾画出致密血管构成的耳肿瘤的边缘。此外,该方法可以穿过完整的颅骨,实现清晰的三维全皮质脑血管结构成像,具有成像面积大(48 mm-2)、分辨率高(25.4 μm)和SBR高(22.3 dB)的优势。这一研究结果显著优于最近报道的三维近红外II区荧光共聚焦血管成像,也为近红外II区ORPAMI的生物医学应用开辟了新的途径。


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Bing Guo, Chengbo Liu, Bin Liu, et al.High-Resolution 3D NIR-II Photoacoustic Imaging of Cerebral and TumorVasculatures Using Conjugated Polymer Nanoparticles as Contrast Agent. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201808355

https://doi.org/10.1002/adma.201808355

 
7. AM:用于生物医学领域的MOF机器人

可动型MOF材料是一种可用于环境修复、靶向药物递送和纳米级外科手术的小型机器人平台。苏黎世联邦理工学院Josep Puigmartí-Luis团队成功地制备了一种具有良好生物相容性和对pH响应特性的ZIF-8磁性螺旋结构。结果表明,在弱的旋转磁场控制下,这种高度集成的多功能材料可以沿着预先设计好的轨迹游动。结果证明,该系统可以在细胞培养基中实现单细胞靶向,并在复杂的微流体通道网络中实现对载荷的控制性递送。


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Xiaopu Wang, Josep Puigmartí-Luis, et al. MOFBOTS: Metal–Organic-Framework-Based Biomedical Microrobots. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201901592

https://doi.org/10.1002/adma.201901592

 
8. AM综述:金属-络合物/半导体混合光催化剂和光电极用于可见光驱动CO2还原

利用非均相光催化剂将CO2还原为碳原料是解决气候变化和化石燃料消耗的有效方法。开发可见光(可见光占太阳光谱的大部分)具有响应的光催化系统至关重要。金属配合物具有良好的电催化(和/或光催化)CO2还原活性,且半导体材料又能够有效地将水氧化为O2分子,因此由金属配合物和半导体组成的复合系统用于光催化CO2还原是很有前景的。有鉴于此,东京工业大学Kazuhiko Maeda对催化CO2还原联合H2O氧化的复合光催化剂和光电极的研究进展进行了总结并作出了展望。


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Kazuhiko Maeda*. Metal-Complex/Semiconductor Hybrid Photocatalysts andPhotoelectrodes for CO2 Reduction Driven by Visible Light. AdvancedMaterials, 2019.

DOI:10.1002/adma.201808205

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201808205 

 
9. AM进展报告:金属-硫电池的现状与未来

锂硫电池凭借其高能量密度和低成本材料等优势而引起了学术界和工业界的广泛关注。锂硫电池的高能量密度来自于其中电极材料发生的转化反应。原料来源广泛且环境友好的硫电极使得锂硫电池成为了最具前景的储能器件。研究现状表明,锂硫电池现在正处于从实验室规模的设备向更实用的储能应用过渡的阶段。基于类似的电化学转化反应,低成本硫正极可与多种金属负极(如钠、钾、镁、钙和铝)相耦合,这些新的“金属-硫”体系在降低生产成本或产生高能量密度方面具有巨大的潜力。

 

德州大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram团队以锂硫电池的快速发展和金属-硫电池的前景为出发点对450多篇研究论文进行了概括总结,通过分析其研究进展对电池的电化学特性、电池组装参数、电池测试条件和材料设计等进行了系统深入的探讨。除了突出当前的研究进展外,文章还讨论了将转换型锂硫电池和其他金属硫电池推向市场所需的未来研究领域。


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Sheng‐Heng Chung , Arumugam Manthiram et al. Current Status and FutureProspects of Metal–Sulfur Batteries. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201901125

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901125

 
10. AM:锰基富钠材料增强钠离子电池高性能层状正极中的阴离子氧化还原

为了提高钠离子电池的能量密度与功率密度,诸多的研究人员将重点放在对阴离子氧化还原过程进行活化上。与富锂正极材料相比,富钠正极材料受到的关注很少,这其中很关键的原因就在于对阴离子物种的高效利用。

 

在本文中,南京大学周豪慎、郭华和Xiaoyu Zhang团队对O3型Mn基富钠正极材料Na1.2Mn0.4Ir0.4O2在氧化还原过程中的阴离子贡献与阳离子贡献进行了系统研究。其中单阳离子氧化还原过程依赖于Mn4+/Mn3+电对,而Ir原子通过共价键与O相连并有效抑制了O2的释放。他们采用原位拉曼、XPS、SXAS等表征手段证实了充放电过程中O22-物种形成的可逆性进而表明该材料存在高度的阴离子氧化还原过程。原位XRD表征揭示了材料初始和循环之后的不对称循环演变,这也进一步说明了电荷补偿机制对电化学性能的影响。


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Xiaoyu Zhang, Shaohua Guo,Haoshen Zhou et al. ManganeseBased NaRich Materials Boost AnionicRedox in High-Performance Layered Cathodes for SodiumIon BatteriesAdvancedMaterials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201807770

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807770

 

11. ACS Nano:纳米螺旋结构的无定形SnOx用于Na离子电池

由于氧化锡(SnOx)低成本和低电位而被认为是有希望的SIB负极材料,理论上SnO2可以提供高达1378 mAh g-1的高容量,涉及转化和合金化反应,因此提高氧化锡和Na离子之间电化学反应的可逆性非常重要。低结晶度的锡氧化物,有利于Na离子的插入,使Sn和O键的断裂和重排更容易引发,但通过传统的方法合成非晶锡氧化物比较困难。此外,脱嵌过程中的体积膨胀也很严重。

 

韩国浦项科技大学(POSTECH)Jinwoo LeeJong Kyu Kim团队通过倾斜角沉积(OAD)、无溶液且无表面活性剂的方法,在Cu箔上制备了一系列非晶氧化锡(a-SnOx)纳米螺旋(NH)并将其作为Na离子电池的负极材料。非晶SnOx具有低氧化值和高纵横比的NH几何结构,具有大的表面积和高孔隙率,有助于Na离子动力学和适应体积变化。即使不使用碳添加剂和聚合物粘合剂,也比对应的结晶二氧化锡(c-SnO2)和一氧化锡(c-SnO)纳米颗粒的电化学储钠性能更优异。


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Il Yong Choi, Changshin Jo, Won-Gwang Lim,Jong-Chan Han, Byeong-Gyu Chae, Chan Gyung Park, Jinwoo Lee, Jong Kyu Kim.Amorphous Tin Oxide Nanohelix Structures Based Electrode for Highly ReversibleNa-Ion Batteries. ACS Nano, 2019.

DOI: 10.1021/acsnano.8b09773

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b09773

 

12. Nano Lett.:靶向深部胰腺癌微环境的共递送纳米系统

胰腺导管腺癌(PDAC)因其独特的微环境而被认为是最具侵袭性的恶性肿瘤之一,其主要病理组织学特征是间质促纤维增生,它约占肿瘤体积的80%。间质促纤维增生对于药物扩散和T细胞渗透有着负面影响,且会形成免疫抑制的微环境。然而,这种独特的微环境也可以通过抑制邻近效应来限制胰腺癌的物理扩散。

 

复旦大学蒋晨教授团队采用靶向肿瘤中心基质和微环境响应的策略制备了共负载紫杉醇和磷酸化吉西他滨的纳米颗粒。该纳米颗粒会破坏中心基质从而提高了化疗药物的抗肿瘤效果。另外,该纳米颗粒可以通过增加细胞毒性T细胞的数量和抑制调节性T细胞的百分比来调节免疫抑制的肿瘤微环境。而相对完整的细胞外基质也能有效抑制邻近作用以防止肿瘤转移。这一研究将基质靶向与刺激响应型聚合物纳米材料递送策略相结合,为开发有效的肿瘤靶向药物传递系统提供了新的方法。


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Xinli Chen, Chen Jiang, et al. A codeliverynanosystem targeting the deep microenvironment of pancreatic cancer. Nano Letters, 2019.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00374

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00374

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