纳米人-顶刊日报丨张洪杰院士、李灿院士、张英泽院士等成果速递20240109

顶刊日报丨张洪杰院士、李灿院士、张英泽院士等成果速递20240109

纳米人纳米人 2024-01-10

1. Chem. Soc. Rev.：能量转移光催化中的激发反应模式

光子在扩展可持续合成方面发挥着至关重要的作用。近日，明斯特大学Frank Glorius综述研究了能量转移光催化中的激发反应模式。

本文要点：

1) 激发态（三重态）提供了无数有效的合成途径，包括环加成、选择性均裂键和应变释放化学、异构化、去乙酰化或与金属催化的融合。近年来，通过可见光介导的三重态-三重态能量转移催化（TTEnT）在实现这些反应模式中具有巨大优势。

2) 作者概述了以温和、选择性和可持续的方式合成有机基序的这一新兴策略。在能量转移的光物理基础上，作者还讨论了催化剂的设计，以及能量转移催化的挑战和机遇。

Subhabrata Dutta, et al. Energy transfer photocatalysis: exciting modes of reactivity. Chem. Soc. Rev. 2024

DOI: 10.1039/D3CS00190C

https://doi.org/10.1039/D3CS00190C

2. Nature Commun.：金属表面碳的动态模拟和生长机理的主动机器学习模型

基底催化生长为碳纳米结构的可控合成提供了一种非常有前途的方法。然而，动态催化表面上的生长机制和更一般的设计策略的发展仍然是持续的挑战。日本东北大学Hao Li、上海交通大学Linfa Peng和Di Zhang等展示了主动机器学习模型如何有效地揭示底物催化生长中涉及的微观过程。

本文要点：

1）利用分子动力学和时间戳力偏蒙特卡罗方法的协同方法，并辅以高斯近似势，作者对石墨烯在Cu(111)上的生长进行了全动态模拟。作者的发现准确地复制了基本的子过程——从碳单体/二聚体的优先扩散、链或环的形成到边缘钝化的铜辅助石墨烯生长和通过离子撞击的键断裂。

2）将作者的模拟扩展到金属表面如Cu(111)、Cr(110)、Ti(001)和氧污染的Cu(111)上的碳沉积，作者的结果与实验观察紧密一致，为设计金属或合金基底以获得所需的碳纳米结构和探索进一步的反应可能性提供了实用和有效的方法。

Zhang, D., Yi, P., Lai, X. et al. Active machine learning model for the dynamic simulation and growth mechanisms of carbon on metal surface. Nat Commun 15, 344 (2024).

DOI: 10.1038/s41467-023-44525-z

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44525-z

3. Nature Commun.：2D多稳态机械超材料通过类孤子脉冲碰撞的相变

近年来，已经开发了机械超材料，支持各种有趣的非线性波的传播，包括过渡波和矢量孤子(多自由度之间耦合的孤子)。宾夕法尼亚大学Jordan R. Raney等报告了2D多稳态机械超材料中相变的观测结果，这种相变是由超材料中类孤子脉冲的碰撞引发的。

本文要点：

1）类似于晶体固体中的一级相变，作者观察到，如果新相达到或超过临界晶核尺寸，多稳态超材料支持相变。如果满足这一标准，新相随后以过渡波的形式传播，将超材料的其余部分转换为新相。更有趣的是，作者使用一个实验验证的模型，数值显示临界核可以通过类孤子脉冲的碰撞形成。

2）此外，非线性脉冲的丰富的方向依赖行为使得能够控制成核的位置和生长阶段的时空形状。

Jiao, W., Shu, H., Tournat, V. et al. Phase transitions in 2D multistable mechanical metamaterials via collisions of soliton-like pulses. Nat Commun 15, 333 (2024).

DOI: 10.1038/s41467-023-44293-w

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44293-w

4. Angew：Ce增强Pt/HY催化聚乙烯转化为液体燃料

加氢裂化（Hydrocracking）是塑料废弃物回收利用的关键方法，但是传统的双功能催化剂的酸催化切断C-C化学键的反应动力学非常缓慢，严重的阻碍了整体的催化反应速率。有鉴于此，中国科学院长春应化所张洪杰院士、宋术岩、汪啸等发展了一种简单方便的方法增强双功能催化剂的酸位点催化活性的方法。这种方法中将Ce作为促进剂引入Pt/HY，从而在金属-酸两种位点之间平衡，显著改善聚烯烃降解的催化活性。

本文要点：

1）将Ce引入Pt/HY催化剂得到Pt/5Ce-HY，在300 ℃催化反应2 h，能够将100 %低密度的聚乙烯LDPE（low-density polyethylene）以80.9 %的选择性生成液态燃料。相比而言，Pt/HY对比催化剂降解LDPE的转化率仅为38.8 %，液态产物的选择性仅为21.3 %。

2）通过详细的实验研究结构-性能之间的关系，发现占据在超笼的Ce物种是真正的催化活性位点，并且能够显著改善短链中间体的吸附。

Xueting Wu, et al, Polyethylene Upgrading to Liquid Fuels Boosted by Atomic Ce Promoters, Angew. Chem. Int. Ed. 2024

DOI: 10.1002/anie.202317594

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202317594

5. Angew：ZnZrO_x/SSZ-13 上的 CO₂ 加氢制轻质烯烃

将二氧化碳转化为烯烃是实现碳中和的理想途径。然而，选择性加氢生成轻质烯烃，特别是单组分烯烃，同时减少CH₄的形成仍然是一个巨大的挑战。在此，中科院大连化物所李灿院士，Jijie Wang开发了ZnZrO_x/SSZ-13串联催化剂，用于CO₂高选择性加氢生成轻质烯烃。

本文要点：

1）该催化剂的C₂⁼-C₄⁼，丙烯选择性分别高达89.4%和52%，而CH4被抑制到2%，且没有明显的失活现象。

2）结果表明，SSZ-13的孤立的中等布朗斯台德酸位点（BAS）促进了ZnZrO_x中间体的快速转化，从而增强了反应的动力学耦合，抑制了烷烃的形成，提高了轻质烯烃的选择性。此外，SSZ-13较弱的BAS促进中间体转化为具有4-6个甲基的芳烃，有利于芳烃循环。

因此，通过提高SSZ-13的Si/Al比可以获得更多的丙烯。这为二氧化碳加氢高选择性生产轻质烯烃提供了一种有效的策略。

Siyu Chen, et al, Hydrogenation of CO₂ to Light Olefins over ZnZrOx/SSZ-13, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202316874

DOI: 10.1002/anie.202316874

https://doi.org/10.1002/anie.202316874

6. AM：具有Piezo1激活和成骨-血管生成偶联作用的磁聚集诱导骨靶向纳米载体用于修复骨质疏松

骨质疏松是一个全球性的健康问题，其主要特征是骨稳态失衡。骨质疏松患者的骨缺损往往难以愈合。目前，利用经典药物治疗骨质疏松性骨缺损的疗效并不理想，且存在药物不良反应和给药不精确等问题。有鉴于此，南开大学张英泽院士、河北医科大学Wei Chen和南方医科大学郑举敦研究员合成了一种磁聚集诱导的骨靶向聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)基纳米载体(ZOL-PLGA@Yoda1/SPIO)，并将其用于实现双靶向递送和精确的piezo1激活，以治疗骨质疏松性骨缺损。

本文要点：

1）Piezo1是一种重要的机械传感器，其在调节骨稳态方面具有重要作用。为了实现双靶向性，研究者通过乳液溶剂扩散法将唑来膦酸(ZOL)修饰的PLGA、超顺磁性氧化铁(SPIO)和能够激活piezo1的分子Yoda1制备成ZOL-PLGA@Yoda1/SPIO。研究发现，骨靶向分子的介导作用和磁聚集诱导的特性可以有效地实现对局部骨缺损的精准药物递送。

2）此外，负载的Yoda1也可以靶向高效地模拟机械信号并激活Piezo1。体内外实验结果表明，ZOL-PLGA@Yoda1/SPIO能够激活骨质疏松小鼠骨缺损区域的Piezo1，通过YAP/β-catenin信号轴改善成骨，促进实现良好协调的成骨-血管偶联，显著加速骨缺损内的骨重建，且不会产生明显的副作用。综上所述，该研究构建的双靶向纳米载体有望为临床治疗骨质疏松性骨缺损提供一种新的有效策略。

Haitao Guan. et al. Magnetic Aggregation-Induced Bone-Targeting Nanocarrier with Effects of Piezo1 Activation and Osteogenic–Angiogenic Coupling for Osteoporotic Bone Repair. Advanced Materials. 2023

DOI: 10.1002/adma.202312081

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202312081

7. AM：各向异性铌酸锂晶体中光学微谐振器的光谱工程

片上光学微谐振器是集成光学中的基本构件。任意设计其共振频率的能力对于探索合成频率维度的新物理和实际应用(如非线性光学参量过程和色散工程频率梳生成)至关重要。光子晶体环(PhCR)谐振器是这种任意频率工程的通用工具，通过在选定的谐振上可控地产生模式分裂。迄今为止，这些PhCRs主要在各向同性光子材料中得到证实，而这种工程在各向异性平台中可能要复杂得多，这些平台通常提供更丰富的光学特性。香港城市大学Cheng Wang和Ke Zhang等过精确补偿折射率和扰动强度变化的梯度设计，在各向异性铌酸锂(LN)晶体中实现了芯片级光学微谐振器的光谱工程。

本文要点：

1）作者通过实验证明了在不同尺寸的LN PhCR谐振器中单个和多个选定谐振的可控频率分裂，同时保持高达1 × 10⁶的高Q因子。此外，作者基于主动调制的x切LN梯度PhCR实验性地构建了合成频率维度上的清晰边界，为电光梳状谱形状的任意控制和频率自由度上的新物理探索开辟了新的途径。

2）作者展示了光功率流在合成频率镜处的有效俘获和反射，在该镜的两侧之间测量的高宽比为26.7。

K. Zhang, Y. Chen, W. Sun, Z. Chen, H. Feng, C. Wang, Spectral Engineering of Optical Microresonators in Anisotropic Lithium Niobate Crystal. Adv. Mater. 2024, 2308840.

DOI: 10.1002/adma.202308840

https://doi.org/10.1002/adma.202308840

8. AM：自旋电子学中的新兴反铁磁体

反铁磁体构成了下一代自旋电子器件的有希望的竞争材料，具有优异的稳定性、可扩展性和动力学。然而，由自发磁化支持的公认铁磁自旋电子学的感知似乎表明反铁磁自旋电子学的不足——它们的补偿磁化被认为会导致不可控的反铁磁有序和微妙的磁电子响应。然而，近年来反铁磁自旋电子学取得了显著的进展，连续出乎意料的发现证实了反铁磁自旋电子学器件的可行性。强调指出，与铁磁体不同，复杂反铁磁晶体结构的丰富性是反铁磁晶体的独特和本质的优点，它可以为自旋电子学开辟新现象和新功能的无限可能性。北京航空航天大学Zhiqi Liu、Peixin Qin和Han Yan等综述了反铁磁自旋电子学的最新进展。

本文要点：

1）作者特别强调了基于几种具有特殊反铁磁晶体结构的反铁磁自旋电子学，讨论了在有效操纵反铁磁有序、探索新的反铁磁物理响应和演示反铁磁自旋电子器件原型方面的最新进展，并对未来的研究方向进行了展望。

2）作者希望这一观点可以为对这一领域感兴趣的读者提供指导，并鼓励对反铁磁自旋电子学材料、现象和器件进行前所未有的研究。

H. Chen, L. Liu, X. Zhou, Z. Meng, X. Wang, Z. Duan, G. Zhao, H. Yan, P. Qin, Z. Liu, Emerging Antiferromagnets for Spintronics. Adv. Mater. 2024, 2310379.

DOI: 10.1002/adma.202310379

https://doi.org/10.1002/adma.202310379

9. AM：双相增益合金在超宽温区聚合物复合材料中构建稳定的逾渗网络

在宽温度范围内具有高性能可靠性的柔性和适应性聚合物复合材料对于各种应用是必不可少的。然而，不同的填料-基体热机械行为在大的热冲击下经常导致严重的结构损伤和性能退化。北京化工大学Hao-Bin Zhang和都柏林圣三一大学Valeria Nicolosi等提出了一种在宽温度范围内(77-473 K)用双相Ga₃₅In₆₅合金在聚合物复合材料中构建无泄漏、自适应、稳定的逾渗网络的一般策略。

本文要点：

1）原位微CT技术首次揭示了Ga₃₅In₆₅合金在聚合物基质中的一致相变，这有助于修复大温度变化下的破坏性导电网络。低温膨胀的Ga在低温下补偿分裂的碳网络，而可流动的Ga和在高温下熔化的Ga一致地填充和修复脱粘的界面并产生裂缝。作为概念验证，作者的耐温复合材料即使在大的温度冲击(ΔT= 396K)后也表现出优异的导电性和电磁干扰屏蔽性能及稳定性。此外，在复合材料中构建温度自适应网络的优势使它们能够用于面向应用的部件的添加制造。

2）这项工作为开发用于极端温度应用的高性能聚合物复合材料提供了有益的启示。

X. Zhou, Y. Liu, Z. Gao, P. Min, J. Liu, Z.-Z. Yu, V. Nicolosi, H.-B. Zhang, Biphasic GaIn Alloy Constructed Stable Percolation Network in Polymer Composites Over Ultrabroad Temperature Region. Adv. Mater. 2024, 2310849.

DOI: 10.1002/adma.202310849

https://doi.org/10.1002/adma.202310849

10. AEM：具有超高储能性能的铌酸锂基多层陶瓷电容器

随着新能源技术的逐步推广，对具有高储能密度、高工作温度、高工作电压和良好温度稳定性的电容器的需求日益增长。近年来，研究人员一直致力于提高铅基、钛基和铁基多层陶瓷电容器(MLCCs)的储能性能。然而，使用基于铌酸锂(NN)的材料对MLCC开发进行了有限的研究。中国科学院上海硅酸盐研究所Genshui Wang和Zhen Liu等介绍了一种新型的NaNbO₃–(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃–Bi(Mg_0.5Hf_0.5)O₃无铅多层陶瓷电容器的优异储能性能。

本文要点：

1）围绕cp轴的无序倾斜破坏了Na和Bi离子的长程位移，并导致PNRs和强弛豫行为，这确保了优异的储能性能，以及多层陶瓷设计策略。因此，基于神经网络的MLCC器件表现出超高的W_rec= 12.65J cm^-3和η = 88.5%，同时表现出出色的温度稳定性(从50°C至125°C，W_rec变化< 1%，η变化< 6%)和抗疲劳性(在107次循环中，W_rec和η变化< 1%)。

2）这项研究突出了基于NaNbO₃的MLCCs在各种应用中的先进储能潜力，开创了设计可在恶劣环境中工作的高性能无铅电容器的新时代。