纳米人-Nature系列9篇，段镶锋Nat. Electronics、CO2电解Nat. Energy丨顶刊日报20190919

Nature系列9篇，段镶锋Nat. Electronics、CO2电解Nat. Energy丨顶刊日报20190919

纳米人纳米人 2019-09-19

1. Nature Electronics: 范德瓦尔斯薄膜电子学

基于大面积柔性和可穿戴设备的新兴应用的开发需要可解决方案处理的薄膜电子器件。有机半导体可以在溶液中加工，但通常在环境条件下具有相对低的性能和不足的稳定性。然而，无机纳米结构可以在溶液中加工，同时保持结晶无机材料的优异电子性能和结构稳定性。特别地，一系列二维无机纳米片可以作为稳定的胶体油墨分散在各种溶剂中。

这些纳米片可以组装成连续的薄膜，其中相邻的薄片通过范德华力相互作用，具有很少的界面俘获状态。由此产生的平铺纳米片，我们称之为二维范德瓦尔斯薄膜，在薄膜电子学中具有巨大的潜力。近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋研究团队探讨范德瓦尔斯薄膜的发展及其在高性能大面积电子产品中的应用。研究了纳米片油墨的配方及其可扩展组装成范德瓦尔斯薄膜和器件。研究人员还考虑了它们在大面积可穿戴电子设备中的应用以及在提供实用设备方面存在的挑战。

Lin, Z. Huang, Y. Duan, X. Vander Waals thin-film electronics. Nature Electronics 2019.

DOI: 10.1038/s41928-019-0301-7

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0301-7

2. Nature Energy：通过氧化碳中间体实现选择性高温CO₂电解

高温CO₂电解槽以CO和其它化学燃料的形式提供异常高效的可再生电力存储，但传统电极存在催化破坏性碳沉积问题。二氧化铈催化剂是已知的用于燃料电池（氧化）反应的碳抑制剂; 然而，对于更严格的电解（还原）条件，催化剂设计策略仍不清楚。

近日，丹麦技术大学Christopher Graves，斯坦福大学William C. Chueh，SLAC国家加速器实验室Michal Bajdich等建立了对二氧化铈的抑制机制，具有超过热力学碳沉积阈值的选择性CO₂转化为CO性能。对使用钐掺杂的二氧化铈，镍和/或氧化钇稳定的氧化锆组成的薄膜模型电极电解CO₂的XPS及密度泛函理论建模研究，揭示了氧化碳中间体在防止积碳中的关键作用。鉴于此，作者在迅速破坏镍基电池的条件下，使用按比例放大的16 cm²氧化铈基固体氧化物电池进行稳定的电化学CO₂还原，显著提高了器件的使用寿命。

TheisL. Skafte, Michal Bajdich*, William C. Chueh,* Christopher Graves,* et al.Selective high-temperature CO₂ electrolysis enabled by oxidizedcarbon intermediates. Nat. Catal., 2019

DOI: 10.1038/s41560-019-0457-4

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0457-4

3. Nature Nanotech.：可肾清除的催化性金纳米簇用于体内疾病监测

超小金纳米团簇(AuNCs)具有很好的肿瘤富集和可被肾脏清除等特性，已经成为一种用于体内成像的灵敏探针。然而，目前还没有研究去利用AuNCs的催化活性来实现体内传感。

麻省理工学院Sangeeta N. Bhatia教授和伦敦帝国理工学院Molly M. Stevens教授合作，利用具有类过氧化物酶活性和可被肾脏代谢的AuNCs构建了一种多功能蛋白酶纳米传感器，它可以对疾病微环境做出响应，从而在不到一小时的时间内产生比色信号读数并对疾病状态进行监测分析。实验通过收集比较结直肠癌小鼠和正常小鼠尿液中AuNCs的催化活性，发现肿瘤小鼠比健康小鼠的比色信号增加了13倍。并且该纳米传感器在被注射后4周内会通过肝、肾而完全代谢，不会产生体内毒性。

ColleenN. Loynachan, Sangeeta N. Bhatia, Molly M. Stevens. et al. Renal clearablecatalytic gold nanoclusters for in vivo disease monitoring. NatureNanotechnology. 2019

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0527-6

4. Nat. Photon.：PT对称量子干涉的观察

量子力学的一个共同点是哈密顿量必须是厄米特才能确保真实的特征值谱。然而，奇偶时间（PT） - 对称汉密尔顿主义对于实特征值是足够的，因此构成了超越隐性约束的量子力学的复杂扩展。然而，由于迄今为止只采用单粒子或经典波动物理学，PT对称性的真实量子性质的实验证明一直难以实现。

近日，德国罗斯托克罗斯托克大学A.Szameit研究团队展示了PT对称系统中的双粒子量子干涉。研究人员采用集成光子波导来揭示不可区分光子的量子动力学显示出强烈的违反直觉的特征。并通过使用李代数方法分析求解量子主方程证实了实验数据。该工作提出的想法和结果为非局部PT对称量子力学作为未来量子器件的新构件铺平了道路。

Klauck, F. A. et al. Observation of PT-symmetricquantum interference. Nat. Photon. 2019.

DOI: 10.1038/s41566-019-0517-0

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0517-0

5. Nat. Photon.: 光子波导中光的角态

最近建立的物质高阶拓扑态的范式表明，不仅边缘和表面状态1,2，而且状态局限于角落，可以具有强大的外来特性。近日，斯德哥尔摩大学Emil J.Bergholtz研究团队报道了利用飞秒激光技术，在玻璃样品中刻划三维光子结构，实现可见光角态的实验研究。

通过创建和分析形成各种样品几何形状的二维呼吸kagome晶格的波导阵列，研究人员将其建立为角落状态的平台，展现出显着程度的灵活性和控制。在每个样本几何中，测量定位在有限频率范围内的角落的本征模，完全类比于呼吸kagome的理论模型。即使存在缺陷，测量显示，光可以被“细分”，对应于同时定位到三角形样品的每个角落。

Hassan, A. E. Bergholtz, E. J. et al. Cornerstates of light in photonic waveguides. Nat.Photon. 2019.

DOI: 10.1038/s41566-019-0519-y

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0519-y

6. Nature Materials: 了解路易斯酸对有机半导体的掺杂机理

精确掺杂有机半导体可以控制这些材料的导电性，这是电子应用中的一个重要参数。尽管路易斯酸最近显示出作为溶液加工聚合物的掺杂剂的前景，但它们的掺杂机理尚未完全了解。加州大学圣芭芭拉分校Guillermo C.Bazan和Thuc-Quyen Nguyen团队发现了B（C₆F₅）₃是研究的其他路易斯酸（BF₃，BBr₃和AlCl₃）的优良掺杂剂。

实验表明，与聚合物形成路易斯酸-碱加合物抑制了掺杂过程。电子 -核共振和核磁共振实验与DFT计算表明，通过产生具有大量布朗斯特酸性的水-路易斯酸络合物，随后聚合物主链的质子化和电子转移从而发生p型掺杂。中性链段到带正电荷的质子化链段。这项研究提供了质子酸掺杂的潜在途径的见解，并显示了痕量水可以将路易斯酸转化为强布朗斯特酸。

Towards understanding the doping mechanism of organic semiconductors by Lewis acids，Nature Materials (2019)

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0479-0

7. Nature Nanotech.: 机械稳定的石墨烯基分子器件

升级分子器件制造的主要挑战之一是，在室温下实现具有可再现和可控电子特性的机械稳定器件。因为结构和电子波动会导致电极-分子界面的传输特性发生显著变化。伯尔尼大学Shi-Xia Liu, 兰卡斯特大学Hatef Sadeghi 和巴塞尔大学Michel Calame报道了一种机械和电子稳健的石墨烯基分子结。

通过在分子水平上分离机械和电子稳定性的要求来实现稳健性。通过使用硅烷化反应将分子直接锚定到基底而不是石墨烯电极来获得机械稳定性。通过调节相邻分子之间的共轭头部基团的π-π轨道重叠来实现电子稳定性。该分子器件在2.0 V的偏压下表现出稳定的电流-电压（I-V）特性，在20至300 K的温度范围内具有可重复的传输特性。

Robustgraphene-based molecular devices, Nature Nanotechnology (2019)

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0533-8

8. Nat. Photon.：前向感应转换技术与潜力

在波导中传播的折射率前沿是特殊的时空扰动。光与这些前沿的相互作用可以根据间接过渡来描述，其中引导模式的频率和波数都被改变。近年来，前向感应转换已经用于色散工程波导中，用于频率转换，光学延迟以及带宽和脉冲持续时间操纵。这些概念起源于光子学的不同研究领域，如非线性光纤，慢光波导，等离子体物理，移动介质和相对论效应。

近日，德国汉堡工业大学Alexander Yu. Petrov、Mahmoud A.Gaafar讨论了这些概念，提供统一的理论描述，并突出这个令人兴奋的研究领域在导光学中的光操作的潜力。

Petrov, A. Y. Gaafar, M. A. etal. Front-induced transitions. Nat. Photon. 2019

DOI: 10.1038/s41566-019-0511-6

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0511-6#auth-1

9. Nature Energy: 钝化晶体硅太阳能电池的触点

全球光伏（PV）市场由基于晶体硅（c-Si）的技术主导，具有重掺杂的直接金属化触点。在接触区域重新组合光生电子和空穴越来越多地限制了这些器件的功率转换效率，因为克服了其他性能限制能量损失。为了向前发展，c-Si光伏技术必须实施替代接触方法。在接触结构内结合薄膜同时抑制复合并促进电荷载流子选择性的钝化接触对于主流c-Si PV工业而言是有希望的下一步骤。

近日，阿卜杜拉国王科技大学StefaanDe Wolf研究团队回顾了控制c-Si中接触形成的基本物理过程。在此过程中，确定了钝化接触在提高c-Si太阳能电池效率方面所起的作用，超出了重掺杂和直接金属化所施加的限制。此外，研究人员讨论了在工业环境中实施钝化接触的战略。

Allen , T. G. Wolf, S. T. et al. Passivating contactsfor crystalline silicon solar cells. Nature Energy 2019.

DOI:10.1038/s41560-019-0463-6

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0463-6

10. Chemical Society Reviews: 硫化铜基纳米异质结构的研究进展

由于铜离子在许多结构相关相中的高迁移率，硫化铜（Cu_2-xS，0≤x≤1）被广泛用作通过阳离子交换方法制备各种异质结构的起始模板。这种纳米异质结构具有独特的物理性质组合，因而可以在多种场景中应用。近年来，制备复杂度不断提高的硫化铜纳米异质结构的可控方法迅速出现。

在本综述中，深圳大学的Gaixia Xu和Xiaomei Wang，布法罗大学的Mark T. Swihart， 上海交通大学的Bobo Gu等讨论了利用硫化铜制作异质结构方法的最新进展。文章主要关注基于阳离子交换方法的重要工作，然后总结了一些可以利用这些硫化铜基纳米异质结构的关键新兴应用。

MaixianLiu, Gaixia Xu, Xiaomei Wang, Mark T. Swihart, Bobo Gu, Ken-Tye Yong et al,Recent advances in copper sulphide-based nanoheterostructures, Chemical SocietyReviews,2019

DOI:10.1039/C8CS00832A

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C8CS00832A#!divAbstract

11. JACS：CNx/Ni₂P 光催化处理塑料有新招

自1950年以来，人类生产生活过程中制造出的塑料超过80亿吨，有机聚合物已然成为当前使用最为广泛，丢弃最为严重的材料之一。可喜的是，常温常压下的光催化技术能通过光催化氧化还原反应将塑料废物转化为燃料和高附加值化学品，为解决上述问题提供简单且低能耗的方法。然而，截至目前，这一研究领域仅有基于贵金属和镉基光催化剂的少量报道。

针对这一问题，剑桥大学的Erwin Reisner等人设计合成了一种廉价且无毒的氮化碳/磷化镍（CNx/Ni₂P）复合光催化材料，并在碱性水溶液条件下成功将其应用于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乳酸（PLA）的光催化转化，制备出了清洁燃料H₂和多种有机化学品。研究结果表明，Ni₂P能有效促进CN_x光生载流子的分离传输，同时充当反应活性位点。该复合材料在长达5天的循环实验中依然保持稳定。此外，作者还通过光催化技术成功将多种不可回收的塑料垃圾转化为H₂和有机化学品，并在保持塑料转化率的前提下将反应体系从2 mL放大至120 mL，进一步证明该策略在实际应用方面的可行性。

Taylor Uekert, Hatice Kasap, and Erwin Reisner.Photoreformingof Nonrecyclable Plastic Waste over a Carbon Nitride/Nickel PhosphideCatalyst. J. Am. Chem. Soc. 2019.

DOI：10.1021/jacs.9b06872

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06872

12. Adv. Sci.：类蒲公英的纳米颗粒用于肿瘤微环境调节

肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)占肿瘤细胞总数的50%以上，在肿瘤的发展和侵袭转移中起着重要的作用。因此，通过调节TAM发生极化来重建肿瘤免疫微环境已成为一种新的治疗策略。然而，这一策略也面临着无法在肿瘤中充分渗透的问题。复旦大学蒋晨教授团队设计了一种可被酸诱导产生尺寸变化的纳米颗粒Apt@(DGL-ZA)_nNPs，它具有良好的肿瘤分布和增强的穿透能力。

其中，树突状移植物多聚赖氨酸(DGLs) 是一种模拟天然异常蛋白的分子，可诱导肿瘤自噬，实验通过一种温和的酸响应连接剂将其交联在NPs上。因此该NPs在中性pH条件下可以抓住DGLs，而在肿瘤pH条件下会释放DGLs，这种类似于蒲公英种子的行为特性使得NPs具有很长的体内循环和增强的肿瘤穿透性。实验进一步将用来调节巨噬细胞的唑来膦酸(ZA)通过电荷吸引作用负载在DGLs上，最后通过修饰靶向肌腱蛋白- C的适配体GBI-10以实现肿瘤富集。体内外实验结果表明，Apt@(DGL-ZA)_n NPs在肿瘤组织中具有较强的穿透性，可以有效地对巨噬细胞进行调控并增强肿瘤自噬，从而实现良好的体内抗肿瘤效果。