1. Science Advances：多功能仿肌腱水凝胶
调和天然生物组织和工程材料之间的不匹配是开发先进生物医学设备和组织工程平台的关键需求。然而，天然组织表现出许多难以用合成材料复制的特性。近日，香港大学徐立之教授报道了一种由芳纶纳米纤维复合材料的各向异性组装构成的多功能仿肌腱水凝胶。1）这些各向异性复合水凝胶 (ACH) 中的硬纳米纤维和软聚乙烯醇模拟了肌腱中对齐的胶原纤维和蛋白聚糖之间的结构相互作用。2）ACH 具有约 1.1 GPa 的高模量、约 72 MPa 的强度、7333 J/m2 的断裂韧性，以及许多与天然肌腱相匹配的附加特性，这是以前的合成水凝胶无法实现的。3）ACH 的表面用生物活性分子进行功能化，以呈现用于调节附着细胞的形态、表型和其他行为的生物物理线索。此外，软生物电子元件可以集成在 ACH 上，实现各种生理参数的原位传感。4）这些肌腱模拟物出色的力学和功能表明它们在高级组织工程、植入式假肢、人机交互和其他技术中的进一步应用。
Mingze Sun, et al, Multifunctional tendon-mimetic hydrogels, Sci. Adv. 9, eade6973 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.ade6973https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade6973
2. Science Advances：用于模拟突触功能的水凝胶中的光调制离子电导率
以离子为信号载体的离子导电水凝胶已成为构建用于传感、驱动和机器人工程的功能性离子电子学的有希望的候选者。然而，合理调节离子迁移以模拟生物信息处理，包括学习和记忆，在水凝胶材料中仍然具有挑战性。在这里，山东大学郝京诚，Yaqing Liu开发了一种具有光调制离子电导率的混合水凝胶来模拟生物突触的功能。1）通过响应性超分子方法，光刺激可以触发移动离子的释放以调节水凝胶的电导率，这类似于突触可塑性的调节。2）作为概念证明，这种水凝胶可以用作信息处理单元来感知不同的光刺激并调节机械手的抓握动作，执行具有“学习-体验”功能的逻辑动作反馈。这种离子水凝胶为开发仿生离子电子系统提供了有价值的策略，并推动了水凝胶材料的功能应用。
Huasheng Tian, et al, Optically modulated ionic conductivity in a hydrogel for emulating synaptic functions, Sci. Adv. 9, eadd6950 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.add6950https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add6950
3. Science Advances：通过转子分子的选择性边缘功能化实现无基质石墨烯量子点的聚集诱导发射
石墨烯量子点 (GQD) 是纳米尺寸的石墨烯衍生物，具有独特的光致发光 (PL) 特性，由于其稳定的蓝光发射，在光电应用中具有优势。然而，GQD 的聚集引起的猝灭 (ACQ) 限制了其在发光二极管上的实际应用。在这里，韩国科学技术院Seokwoo Jeon通过减小尺寸并将 GQD 转化为聚集诱导发光 (AIE) 活性材料来抑制 GQD 的 ACQ 现象。1）随着 GQD 的尺寸从 5 nm 减小到 1 nm，它们的固态 PL 量子产率 (PLQY) 从 0.5% 提高到 2.5%，从而防止了 ACQ。2）两种不同的转子分子，苄胺 (BA) 和 4,4'-(1,2-二苯基乙烯-1,2-二基) 二酚 (TPE-DOH)，通过取代羧酸和羰基官能团进行选择性功能化。所有功能化的 GQD 都显示出 AIE 行为，固态 PLQY 显着增强，高达 16.8%。3）余辉测量和理论计算表明，选择性功能化阻碍了分子间和分子内的电荷转移，从而提高了 GQD 和相应 PLQY 的荧光率。
SUKKI LEE, et al. Aggregation-induced emission of matrix-free graphene quantum dots via selective edge functionalization of rotor molecules， Sci. Adv. 9, eade2585 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.ade2585https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2585
4. Science Advances：用于高性能原子级薄 CMOS 器件的菱形堆叠双层过渡金属二硫化物
具有不同堆叠配置的范德瓦尔斯耦合正在成为一种调整原子级薄二维材料的光学和电子特性的有效方法。在这里，华中科技大学李学飞教授，北京大学吴燕庆研究员研究了 3R 堆叠过渡金属二硫化物作为高性能原子级薄场效应晶体管 (FET) 的可能选择。1）研究发现，3R 双层 WS2 (WSe2) 的有效迁移率比 2H WS2 (WSe2) 高 65% (50%)。3R 双层 WS2 n 型 FET 在 Vds = 1 V 时表现出 480 μA/μm 的高导通电流和 1 kΩ·μm 的超低导通电阻。2）实验观察以及多尺度模拟表明，这些改进源于 3R 堆叠中的强层间耦合，这反映在与 2H 堆叠相比更高的电导中。研究方法为未来电子设备中的高级通道材料提供了通用且可扩展的途径，以实现最终缩放，特别是对于互补金属氧化物半导体应用。
Xuefei Li, et al, Rhombohedral-stacked bilayer transition metal dichalcogenides for high-performance atomically thin CMOS devices, Sci. Adv. 9, eade5706 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.ade5706https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade5706
5. Science Advances：一种基于逆压热效应的热电池
即使当今世界大约 90% 的能源使用涉及广泛温度范围内的热量，但目前操纵热量的能力仍然有限。热能生产占全球最终能源消耗的50%以上，而余热潜力分析表明，全球一次能源消耗的72%在转换后主要以热能形式流失。在废热光谱中，63%低于 10°C。热能回收的首选策略是低温废热在收获后储存起来，无需进一步转化即可重新用于加热目的。为实现这一目标，必须克服巨大障碍以提高热能的可控性和可调性。为了收集和再利用低温废热，中科院金属所Bing Li，Zhidong Zhang，上海交通大学Shangchao Lin提出并实现了一个新兴概念—基于硫氰酸铵 (NH4SCN) 的大反气压热效应的气压热电池。1）热充电在加压时通过有序到无序的相变初始化，43 J g-1 的放电发生在减压时，这是输入机械能的 11 倍。2）压力限制载热相的热力学平衡性质保证了稳定的长期储存。这种由其固体微观机制增强的气压热电池有望显着提高利用余热的能力。
Zhe Zhang, et al, Thermal batteries based on inverse barocaloric effects, Sci. Adv. 9, eadd0374 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.add0374https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0374
6. Science Advances：利用响应度更轻的薄膜窄带近红外光电二极管进行远距离生命监测
远程测量心跳和呼吸频率等生命体征参数是以非侵入性方式监测个人健康的一个引人注目的挑战。这可以通过大视场、易于集成、不显眼的传感器来实现，例如大面积薄膜光电二极管。然而，在很远的距离上，区分微弱的光信号和背景干扰需要高的近红外(NIR)灵敏度和光学噪声容忍度。在这里，埃因霍温理工大学René A. J. Janssen报道了一种固有的窄带溶液处理的薄膜光电二极管，具有超高的可控的近红外响应率，基于串联的钙钛矿型有机结构。1）该器件暗电流小(<10−6 mA cm−2)，线性动态范围>150 dB，工作时间稳定(>8h)。2）该器件在850 nm处的窄带量子效率可超过200%，并通过对其他波长的固有过滤来限制光学噪声，因此比光学过滤的硅基传感器显示出更高的对背景光的容忍度。3）研究人员通过测量反射距离达130厘米的心率和呼吸频率，展示了它在远程监测中的潜力。
Riccardo Ollearo, et al, Vitality surveillance at distance using thin-film tandem-like narrowband near-infrared photodiodes with light-enhanced responsivity, Sci. Adv. 9, eadf9861 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adf9861https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9861
7. Matter：调节胺化氧化石墨烯膜的层间距以实现高效流动反应
纳米限域效应可以显着影响化学反应性。化学家设计了各种多孔纳米限制系统来催化反应。然而，使用这些人工系统在温和条件下进行有效的流动反应仍然是一个挑战。在这里，中科院理化技术研究所张锡奇研究员制备了多层胺化氧化石墨烯 (GO-NH2) 膜，以实现快速高效的定向流 Knoevenagel 缩合。1）减小 GO-NH2 膜的层间距 (20.5–14.7 A˚) 可提高反应转化率。当层间距为 14.7 A˚ 时，转化率在 22 °C 时达到100%，反应时间短。与本体反应相比，机理研究表明层间限制增强了反应物前线轨道对称性的匹配。2）催化剂的表征和密度泛函理论计算证明，GO-NH2 上石墨畴的离域π电子可以降低整体受限反应能级。该工作为构建温和条件下高转化率的人工催化体系提供了思路。
Pang et al., Regulating interlayer spacing of aminated graphene oxide membranes for efficient flow reactions, Matter (2023)DOI：10.1016/j.matt.2023.01.020https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.020
8. Angew：作为双功能氧电催化剂的协同 Fe-Se 原子对助力低温可充电锌空气电池
可持续和清洁能源的发展需要在新能源技术上取得重大突破，例如水电解装置、燃料电池和金属空气电池。可充电锌空气电池（ZABs）由于具有高能量密度（1086 Wh/kg）、天然丰富的锌储量、低成本和高安全性等优点而受到广泛关注。然而，当温度低于 0 °C 时，ZAB 的性能会严重恶化，这是由于电催化反应的动力学减慢和 498 kJ/mol 的极高 O=O 键能值。近日，清华大学王定胜教授，中南大学雷永鹏教授通过合成负载在 N 掺杂碳 (Fe-Se/NC) 上的原子分散的 Fe-Se 原子对，成功构建了双功能电催化剂。1）获得的 FeSe/NC 显示出值得注意的双功能氧催化性能，具有 0.698 V 的低电位差，远优于报道的铁基单原子催化剂。2）理论计算表明，Fe-Se 原子对周围的 p-d 轨道杂化导致显着不对称的极化电荷分布。3）Fe-Se/NC 基固态可充电锌空气电池 (ZABs-Fe-Se/NC) 在 25 oC 下以 20 mA/cm2 稳定充放电 200 小时（1090 次循环），是 ZABs-Pt/C+Ir/C的 6.9 倍。在-40 °C 的极低温度下，ZABs-Fe-Se/NC 在 1 mA/cm2 下表现出 741 h（4041 次循环）的超强循环性能，约为 ZABs-Pt/C+Ir/C的 11.7 倍。更重要的是，ZABs-FeSe/NC 甚至可以在 -40 °C 下以 5 mA/cm2 运行 133 小时（725 个循环）。
Yao Wang, et al, Synergistic Fe-Se Atom Pairs as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts Boost Low-Temperature Rechargeable Zn-Air Battery, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202219191DOI: 10.1002/anie.202219191https://doi.org/10.1002/anie.202219191
9. Angew：葡萄糖电氧化中羟基氧化钴上形成的活性位点的鉴定
基于过渡金属的羟基氧化物是生物质电氧化中无化石燃料生产有价值化学品的有效催化剂。然而，活性位点的识别仍然难以捉摸。在此，清华大学段昊泓，北京化工大学Hua Zhou以羟基氧化钴 (CoOOH) 为原型，以葡萄糖电氧化 (GOR) 为模型反应，使用一套操作和非原位技术跟踪催化剂电子和原子结构的动态转变。1）研究人员揭示了两种类型的可还原 Co3+-oxo 物种可用于 GOR，包括吸附在Co3+离子上的羟基 (µ1-OH-Co3+) 和二-Co3+-桥接晶格氧 (µ2-O-Co3+)。2）此外，理论计算表明µ1−OH−Co3+负责氧化，而µ2−O−Co3+主要负责脱氢，两者都是葡萄糖转化为甲酸的关键氧化步骤。这项工作为理解生物质电解精炼中金属氢氧化物的复杂近表面化学提供了一个机制框架。
Yu-Quan Zhu, et al, Identification of Active Sites Formed on Cobalt Oxyhydroxide in Glucose Electrooxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202219048DOI: 10.1002/anie.202219048https://doi.org/10.1002/anie.202219048
10. Angew：ECNU-13：一种用于烯烃选择性裂化的具有三维和高连通性多孔结构的高硅沸石
沸石是一种具有明确晶体结构的微孔硅铝酸盐，因其在石油化工和精细化工、生物质转化过程、太阳能储存等领域的广泛应用而受到长期关注。近日，华东师范大学Peng Wu，Jingang Jiang，同济大学Lu Han开发了具有新的三维 (3D) 孔系统和纳米级形态的高硅沸石 ECNU-13 (Si/Al = 23)，由大量 10 元环 (10-R) 中孔和一组8-R小孔构成。1）提出了一种相鉴别策略，通过调节用于制备具有已知 UWY 拓扑结构的 12-R 大孔锗硅酸盐 IM-20 的凝胶组成和成核过程来合成 ECNU-13。结晶旨在形成一组单四环 (s4r) 复合结构单元和一组双四环 (d4r)，而不是在 IM-20 中形成两种不同类型的 d4r 单元。2）电子晶体学研究表明，由于 s4r 单元中不同的原子定位，ECNU-13 结构由两种多晶型物组成。在 1-丁烯的催化裂化中，ECNU-13 表现出高丙烯选择性 (55.6%) 和丙烯与乙烯的摩尔比 (> 4.7)，优于经过充分研究的传统 ZSM-5 沸石催化剂。
Mingming Peng, et al, ECNU-13: A High-Silica Zeolite with Three-Dimensional and High-Connectivity Multi-Pore Structures for Selective Alkene Cracking, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202217004DOI: 10.1002/anie.202217004https://doi.org/10.1002/anie.202217004
11. AM: 受控界面聚合物自组装协调在连续流动下制备的颗粒中的超高载药量和零级释放
太阳能组件、药物、香料、食品配料、气泡和活细胞等有效载荷的封装在各种应用中变得越来越重要，从能量转换到治疗递送。封装后，治疗剂被嵌入惰性材料中。这些惰性材料形成的物理屏障不仅可以保护治疗剂免受外部环境的影响，还可以控制掺入成分的释放。在这里，中国药科大学Dongfei Liu，赫尔辛基大学Hélder A. Santos通过聚合物的受控界面自组装成功地设计了微粒，以协调超高载药量与蛋白质有效载荷的零级释放。1）为了解决它们与载体材料的混溶性差的问题，将蛋白质分子转化为纳米颗粒，其表面覆盖有聚合物分子。该聚合物层阻碍了货物纳米颗粒从油中转移到水中，实现了卓越的封装效率（高达 99.9%）。2）为了控制有效载荷的释放，提高了油水界面的聚合物密度，为微粒形成了一个紧凑的外壳。由此产生的微粒可以在体内获得高达 49.9% 质量分数的蛋白质，具有零级释放动力学，从而能够在 1 型糖尿病中实现有效的血糖控制。3）此外，通过连续流动提供的工程过程精确控制可实现高批次间重现性，并最终实现出色的放大可行性。
Pei Zhang, et al, Controlled Interfacial Polymer Self-assembly Coordinates Ultrahigh Drug Loading and Zero-Order Release in Particles Prepared under Continuous Flow, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202211254https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202211254
12. AM: 非晶态石墨烯上硝酸盐直接合成氨
氨是农业和制药工业中不可或缺的商品。硝酸盐直接电还原氨是一条极具潜力的路线，但其受到竞争性副反应的限制。而大多数金属催化剂具有高硝酸盐到氨转化活性，而非金属催化剂很少被报道。近日，香港城市大学Ye Ruquan在非晶态石墨烯上实现硝酸盐直接合成氨。1) 作者通过激光诱导合成的非晶石墨烯包括应变和无序的五边形、六边形和七边形结构，其可以电催化NO3−的八电子还原为NH3，且法拉第效率为~100%，在–0.93 V（vs. RHE）下的氨生成率为2859μg/cm2/h。作者通过X射线分布函数分析和电子显微镜揭示了促进NO3-还原的非晶石墨烯的独特分子特征。2) 原位FTIR光谱和理论计算确定了这些特征在通过结构弛豫稳定反应中间体中的关键作用。增强的催化活性能够实现按需合成和释放氨的流动电解，并且选择性>70%，从而在应用于植物栽培时可以显著提高产量和存活率。该研究对净化硝酸盐污染的水和完成氮氧化物循环具有重要意义。
Libei Huang, et al. Direct Synthessis of Ammonia From Nitrate On Amorphous Graphene With Near 100% Efficiency Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202211856https://doi.org/10.1002/adma.202211856
