1. Nature Commun.：具有不对称孔隙率和减阻剖面的高性能Marangoni水凝胶转子
基于Marangoni效应的微型转子在推进和发电方面具有广阔的应用前景，引起了人们的极大关注。尽管进行了密集的研究，但开发具有高旋转产量和燃油经济性的Marangoni转子仍然具有挑战性。为了应对这一挑战，中科大Dong Wu引入了一种不对称孔道策略来制造由温度响应性水凝胶和低表面张力麻醉剂代谢物组成的Marangoni转子。1）将非对称孔隙率的增强Marangoni推进和精心设计的叶型减阻相结合，开发的转子在旋转输出(~15倍)和燃油经济性(~34%)方面领先于以往的研究。利用温度响应性水凝胶，转子在33s内实现快速加油。此外，铁粉掺杂进一步赋予转子在磁刺激下的个体特有运动。2）值得注意的是，研究人员展示了包括动能传输、微型发电机和环境修复在内的多种功能，为设计微型旋转机械开辟了新的视角，并激励了机器人学、能源和环境领域的研究人员。
Wu, H., Chen, Y., Xu, W. et al. High-performance Marangoni hydrogel rotors with asymmetric porosity and drag reduction profile. Nat Commun 14, 20 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-35186-5https://doi.org/10.1038/s41467-022-35186-5
2. Nature Commun.：基于黑磷的人机通信界面
涉及听觉反馈的辅助技术通常由视障或有言语和语言困难的人使用。近日，布拉格化学与技术大学Martin Pumera关注了一种听觉人机界面，它使用音频作为在视觉或言语障碍的用户与社会之间传递信息的平台。1）通过苯系物在棉织物上的简单化学氧化聚合，研制了一种基于黑磷/聚苯胺(BP@PANI)复合材料的压阻式触觉传感器。2）这种基于BP@PANI的触觉传感器利用了BP的褶皱蜂窝状晶格结构和卓越的电学性能以及广阔的波纹织物表面，具有优异的灵敏度、低压力灵敏度、合理的响应时间和良好的循环稳定性。3）对于现实世界的应用，原型设备采用了六个BP@Pani触觉传感器，这些传感器对应于盲文字符，可以在阅读或打字时将按下的文本转换为音频，以帮助视觉或言语残疾的人。总体而言，这项研究为基于分层和2D材料的人机界面听觉反馈设备的开发提供了有前景的候选材料和策略。
Vaghasiya, J.V., Mayorga-Martinez, C.C., Vyskočil, J. et al. Black phosphorous-based human-machine communication interface. Nat Commun 14, 2 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-34482-4https://doi.org/10.1038/s41467-022-34482-4
3. Nature Commun.：具有增强光电导的双连续氧化物异质外延
自组装体系最近引起了广泛的关注，因为它们可以在纳米复合材料中显示出广泛的相形态，为探索新的现象提供了一个新的舞台。在这些形态中，基于其高界面体积比和3D互连，双连续结构是非常理想的。近日，台湾阳明交通大学Ying-Hao Chu、威斯康星大学麦迪逊分校Jia-Mian Hu研究了一种双连续氧化镍(NiO)和二氧化锡(SnO2)异质外延纳米复合材料。1）通过控制它们的浓度，研究人员制备了从柱子到双连续结构的可调谐自组装纳米结构，如具有曲折成分分布的TEM能量色散X射线光谱所证明的那样。2）实验观察到的生长模式与第一性原理计算的结果一致。采用相场模拟方法研究了SnO2：NiO纳米复合材料的三维微观结构形成过程，并提取了用于预测微观结构形态的关键热力学参数。3）此外，在宏观和微观上证明了双连续SnO2：NiO纳米复合材料的光伏性能显著增强。这项研究展示了一条开发基于自组装氧化物的创新太阳能电池和光电探测器设备的途径。
Shao, PW., Wu, YX., Chen, WH. et al. Bicontinuous oxide heteroepitaxy with enhanced photoconductivity. Nat Commun 14, 21 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-35385-0https://doi.org/10.1038/s41467-022-35385-0
4. Nature Commun.：锐钛矿型二氧化钛的表面氧化还原储钠
由于钠的丰富和低成本，钠离子存储技术很有希望成为大规模电网系统的候选技术。然而，与众所周知的锂离子存储机制相比，钠离子存储仍然相对未知。近日，厦门大学Qiulong Wei，加州大学洛杉矶分校Bruce Dunn系统地测定了锐钛矿型二氧化钛(TiO2(A))的钠离子存储性能。1）在初始钠化过程中，晶态的TiO2(A)的表面层(~3~5 nm)变得无定形，但仍发生Ti4+/Ti3+氧化还原反应。提出了一个解释无定形层的作用和比容量与纳米粒子尺寸的关系的模型。2）在高充放电倍率下，约10 nm的非晶态纳米粒子似乎是获得高比容量的最佳选择，其比容量约为200 mAh g−1。纳米TiO2(A)的动力学研究表明，钠离子的存储是由于表面氧化还原机制而不依赖于纳米粒子的大小，而不是二氧化钛(A)的锂化过程是一个扩散受限的插层过程。3）TiO2(A)的表面氧化还原特性使其具有优异的倍率性能、循环稳定性和低过电位。此外，通过对表面氧化还原机理的调整，使得厚电极的TiO2(A)能够保持高倍率性能，代表了高功率钠离子存储的一个很有前途的方向。
Wei, Q., Chang, X., Butts, D. et al. Surface-redox sodium-ion storage in anatase titanium oxide. Nat Commun 14, 7 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-35617-3https://doi.org/10.1038/s41467-022-35617-3
5. Nature Commun.：高频纳米机电振动法回收氧化的二维MXenes
鉴于其优异的电学性能，MXenes具有巨大的潜力。然而，这些有希望的材料的实际应用受到其氧化敏感性的严重限制，导致显著的性能恶化和寿命限制。保存MXenes的尝试一直受到限制，迄今为止还不可能逆转这种材料的性能。近日，皇家墨尔本理工大学Leslie Y. Yeo，Amgad R. Rezk发现，对微米或纳米厚度的氧化MXene干膜--即使是由纳米级溶液分散的氧化片构成的膜--进行一分钟10 MHz的纳米级机电振动，可以显著去除其表面氧化层，同时保持其结构和特征。1）重要的是，MXenes电化学性能恢复到接近其原始状态：由于氧化，赝电容下降了近50%，恢复到原值的约98%，在10 A g-1下进行10,000次充放电循环后，容量保持良好(−93%)。研究结果突出了使材料再生以供重复使用的令人兴奋的可能性，提供了一种更经济和可持续的方法。
Ahmed, H., Alijani, H., El-Ghazaly, A. et al. Recovery of oxidized two-dimensional MXenes through high frequency nanoscale electromechanical vibration. Nat Commun 14, 3 (2023).DOI：10.1038/s41467-022-34699-3https://doi.org/10.1038/s41467-022-34699-3
6. JACS: 通过缺陷工程增强金属-有机框架中的动态光谱扩散
有机发色团的晶体堆积对其光物理性质有着深远的影响。而分子晶体工程通常无法产生用于光伏、发光二极管和传感器的精确间隔的分子阵列。通过将发色团并入晶体金属-有机框架（MOFs）中，使其在约束条件下形成基质配位诱导发射（MCIE）。然而，目前尚不清楚发色团和缺陷的精确排列如何决定这些系统的光物理性质，从而限制了光致发光材料的合理设计。有鉴于此，康奈尔大学Phillip J. Milner、Andrew J. Musser通过缺陷工程增强金属-有机框架中的动态光谱扩散。1) 作者报道了由连接体四（4-羧基苯基）乙烯（TCPE4-）构建的新型、鲁棒的Zr基MOF，其具有显著的结构转变，并且其作为合成期间使用的酸调节剂（苯甲酸、甲酸或乙酸）量的函数，可以实现从绿色到蓝色光致发光（PL）的转变。时间分辨PL（TRPL）测量提供了完整的光谱信息，并揭示了低色移是由于在更高调节剂浓度下的更高浓度接头取代缺陷引起的，从而形成更宽的光谱扩散。2) 迄今为止，MOF中尚未报道这种类型的光谱扩散，该结果提供了使用传统晶体学技术无法获得的结构信息。最后，缺陷对MOF的光物理性质有着重要的影响，并且它们的存在可以很容易地调整这些材料的能量转移过程。
Arjun Halder, et al. Enhancing Dynamic Spectral Diffusion in Metal–Organic Frameworks through Defect Engineering. JACS 2023DOI: 10.1021/jacs.2c10672https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c10672
7. JACS：二维π–d共轭金属-有机框架中的类石墨电荷存储机制
准二维（2D）全π–d共轭金属-有机框架（MOF）已被广泛用作二次电池的活性材料，然而，这些材料中高电荷存储容量的来源仍然是未知的。一些报告提出了一种假设是在一个有机配体上形成多个自由基的机制，尽管没有实际的证据证明这种机制与共振理论相悖。近日，来自名古屋大学的Kunio Awaga，Zhongyue Zhang等人利用各种磁测量技术实现了对2Dπ–d共轭Cu THQ MOF（THQ=四羟基-1,4-苯醌）电化学过程中顺磁性物质的形成和浓度的监测。1) 在该研究中，完全还原（放电1.5 V）电极的自旋浓度大约为每单位CuO4仅0.1自旋1/2，远低于预期的“双自由基”形式，并且，同时观察到与温度无关的顺磁项显著升高，这表明在这种放电状态下存在离域π电子；2) 此外，第一原理密度泛函理论计算和电化学活性态密度证实了上述结果，并揭示Cu-THQ-MOF中电荷存储的微观机制，因此，该研究提出了一种类似石墨的电荷存储机制，其中π电子带在充电/放电过程中接受/提供电子，从而用以解释Cu-THQ的过量电荷存储，同时磁性研究表明，这种类石墨电荷存储机制可以较好地推广到其他π–d共轭MOF。
Kunio A., et al. Graphite-like Charge Storage Mechanism in a 2D π–d Conjugated Metal–Organic Framework Revealed by Stepwise Magnetic Monitoring. J. Am. Chem. Soc. (2023).DOI: 10.1021/jacs.2c10650https://doi.org/10.1021/jacs.2c10650
8. Angew：有氧环境下铜卟啉金属有机框架上促进的光催化CO2还原
中科院化学所Hua Sheng等通过组合两种二维(2D)材料:g-C3N4和铜卟啉金属有机框架(MOF)制备了π-π堆积杂化光催化剂。1）这种复合催化剂表现出前所未有的能力，在空气中O2的典型水平(20%)下将CO2光催化还原为CO和CH4。有趣的是，O2的存在并没有抑制CO2的还原；相反，与没有O2时相比，观察到了5倍的增加。结构分析表明，在有氧预处理期间，2D-MOF部分中的Cu节点被O2还原产生的羟基羟基化。然后，形成的羟基化Cu节点在有氧CO2还原期间保持其结构。2）理论计算进一步证明，CO2还原而不是O2还原优先发生在羟基化的Cu节点上。
Xie, S., et al, Facilitated Photocatalytic CO2 Reduction in Aerobic Environment on a Copper-Porphyrin Metal-Organic Framework. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript.DOI: 10.1002/anie.202216717https://doi.org/10.1002/anie.202216717
9. Angew：超微孔MOFs分离乙醇/水的优化筛分效果
高纯度乙醇是一种有前途的可再生能源，然而从痕量水中分离乙醇极具挑战性。德州大学圣安东尼奥分校Banglin Chen等将两种超微孔MOFs (UTSA-280和Co-方形)用作吸附剂。1）显著的水吸附和可忽略的乙醇吸附确定了两种MOF的完美筛分效果。Co-方形在低压下表现出惊人的吸水能力，超过了已报道的MOFs。单晶X射线衍射和理论计算表明，Co-方形如此优异的性能来源于通过孔结构调整优化的筛分效果。具有较大菱面体通道的Co-方形适合于曲折的水位点，从而增强了客体-客体和客体-框架的相互作用。2）超纯乙醇(99.9%)可以通过乙醇/水混合蒸汽穿过填充有Co-方形的柱子直接获得，这有助于燃料级乙醇纯化的潜力。
Zheng, X., et al, Optimized Sieving Effect for Ethanol/Water Separation by Ultramicroporous MOFs. Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202216710https://doi.org/10.1002/anie.202216710
10. AM：用于小神经接口的4D印刷柔软可拉伸自折叠袖带电极
周围神经接口（PNI）在治疗各种疾病，如肥胖症或糖尿病等方面具有很高的临床潜力。然而，目前存在的电极对接口程序提出了挑战，从而限制了它们的临床应用，特别是当靶向小的周围神经（<200μm）时。为了改进电极的操作和植入，来自慕尼黑工业大学的Bernhard Wolfrum等人开发了一个神经接口，其可以折叠成一个小神经周围的袖带，在插入过程中由身体湿气触发。1) 该研究通过使用光聚合印刷柔性聚氨酯印刷树脂和高度溶胀的丙烯酸钠水凝胶的双层来实现这种折叠结构，当浸入含水液体中时，水凝胶发生膨胀，从而可以将电极轻轻地折叠在神经周围；2) 此外，由于使用柔软且可拉伸的印刷树脂作为基底，并使用微裂纹金膜作为导电层，因此该研究开发的电极坚固、可拉伸（>20%）并弯曲以便于植入，并且该研究在体内演示了电极的直接植入和提取以及对小周围神经的刺激和记录能力。
Bernhard W., et al. 4D Printed Soft and Stretchable Self-folding Cuff Electrodes for Small-nerve Interfacing. Adv. Mater. (2023).DOI: 10.1002/adma.202210206https://doi.org/10.1002/adma.202210206
11. AM：用于光固化3D打印颗粒增强复合网络的三重融合上转换
高能光子（λ<400 nm）经常用于引发自由基聚合以形成聚合物网络，但仅对透明物体有效。这一现象对颗粒增强复合网络的增材制造提出了重大挑战，因为短波光子的深穿透限制了物理化学和机械性能的改进。近日，来自华盛顿大学的Alshakim Nelson，哥伦比亚大学Luis M. Campos等人采用了非常规但多用途的三重态-三重态湮灭上转换（TTA-UC）多激子工艺，用于固化通过直接喷墨（DIW）3D打印创建的不透明水凝胶复合材料，在改变复杂DIW 3D打印复合聚合物网络的化学和机械性能方面具有较大的潜力。1) 在该研究设计的TTA-UC多激子工艺中，TTA-UC将用于深度穿透的低能红光（λmax=660 nm）转换为高能蓝光，以在不透明物体内引发自由基聚合；2) 此外，作为原理证明，研究引入了含有高达15%的 TiO2填料颗粒并掺杂有TTA-UC发色团的水凝胶从而实现红光固化，而没有发色团和TiO2低负载量（1–2 ）%的复合材料保持未固化的状态。
Alshakim N., et al. Triplet Fusion Upconversion for Photocuring 3D Printed Particle-Reinforced Composite Networks. Adv. Mater. (2023).DOI: 10.1002/adma.202207673https://doi.org/10.1002/adma.202207673
12. AEM：用原位技术阐明MXenes电极的充电机制和耦合结构-力学行为
十年前Ti3C2Tx化合物(MXenes)的发现为高速储能应用开辟了新的研究方向和宝贵的机会。MXenes具有容纳各种一价和多价阳离子的独特能力，并且在不同的电解质环境(包括水、有机和离子液体溶液)中具有高稳定性，这促进了用于各种应用的先进MXene基电极的快速发展。与绝大多数典型的嵌入化合物不同，MXene电极的电化学性能受共嵌入溶剂分子的存在的强烈影响，这不能通过常规的电流/电势电化学测量来检测。此外，离子电化学插入MXene空隙导致与极化MXene电极中嵌入诱导的结构、尺寸和粘弹性变化的强耦合。为了阐明MXene系统的充电机制及其相关现象，近年来已经提出使用各种各样的实时监控技术。以色列巴伊兰大学Doron Aurbach、希伯来大学Netanel Shpigel、代尔夫特理工大学Xuehang Wang和阿拉法拉比国立大学Fyodor Malchik等综述了通过原位研究获得的与Ti3C2Tx电极充电机制及其潜在诱发结构和力学现象相关的最基本的发现。1）本综述的第一部分是Ti3C2Tx电极在水基电解质溶液中的原位表征，包括I)酸性ii)中性iii)高浓度溶液以及iv)非水电解质。一个单独的部分集中在v)使用原位工具来探测充电过程中由阳离子插入引起的MXene电极的机械性能。2）最后，在第iv)节中，作者讨论了当前在理解MXene电极在不同操作环境中的充电机制以及使用各种补充分析工具来扩展和加深我们对其行为的了解方面所面临的挑战。
Bergman, G., et al, Elucidation of the Charging Mechanisms and the Coupled Structural–Mechanical Behavior of Ti3C2Tx (MXenes) Electrodes by In Situ Techniques. Adv. Energy Mater. 2023, 2203154.DOI: 10.1002/aenm.202203154https://doi.org/10.1002/aenm.202203154
