頂刊動態｜4月份Nature nanotechnology材料前沿科研成果精選

Nature nanotechnology 4月成果預覽：美國布蘭代斯大學科學家總結了納米和微米尺度反應擴散過程的綜述內容；瑞士日內瓦大學科學家研究了超薄MoS2 晶體的超導電性；美國喬治敦大學學者采用外延石墨烯量子點制備高性能的太赫茲測輻射熱計；美國麻省理工學院研制出接近理論極限的冷側熱發射鎢燈絲；蘇黎世聯邦理工學院發明了一種可全面凈化水體的淀粉-活性炭復合膜；馬薩諸塞州總醫院和哈佛醫學院發現一種可同時控制腫瘤生長和抑制治療逃脫的光敏多重抑制劑。

1. 綜述：微納米尺度的反應擴散過程

過去的二十年中，采用初級組元（分子、膠體粒子等）自底向上制備納米或微米尺度結構的技術取得了巨大進展。但是大部分研究只針對結構本身，對動態和時空方面的理解還處于較初級的階段。美國科學家Irving R. Epstein等人從活細胞中得到靈感：應該超越結構的制備，關注納米尺度的動態過程。

他們首先介紹了細胞在納米尺寸上進行自組裝，自組織和反應-擴散等基本特征。著重討論了近期在設計和控制以上生命特征方面取得的進步，具體描述了幾個反應擴散過程的例子，正是這個過程產生了自組裝、自組織、獨特的納米結構、化學波等結果，并論證了它們的普適性。最后，他們對未來在微納米尺度上反應擴散過程相關的研究方向進行了一定預測，并表示這些研究對納米科學以及新型化學運輸、化學溝通和與生命系統的集成等方面的納米科技都有很大前景。

文獻鏈接：Reaction–diffusion processes at the nano- and microscales

2. 單原子層厚度MoS2 晶體的超導電性

眾所周知，當物質達到原子尺度時，多層范德華材料在電性能方面就會表現出非常奇特的轉變。觀察到相關的現象或結果比較容易，但是系統研究厚度變化對該結果的影響就相對困難。
瑞士科學家Davide Costanzo等人通過多層片狀MoS2晶體（單分子層到塊體材料）系統研究了厚度與超導電性的變化規律，取得了開創性的成果。他們發現，隨厚度增加，超導性顯著降低，并討論了可能的微觀機制。

單分子層MoS2的超導電性

文獻鏈接：Gate-induced superconductivity in atomically thin MoS2 crystals

3. 外延石墨烯量子點制備高性能的太赫茲測輻射熱計

由于低電熱容和虛弱電子聲子耦合性，光能的吸收將影響石墨烯的電子溫度。這一特性使石墨烯成為太赫茲頻率下熱電子測輻射熱計需要用的候選材料。但是溫度變化引起的電阻微弱變化限制了其對吸收能量的響應。

美國喬治敦大學學者提出，SiC外延生長的石墨烯量子點的電阻表現出強烈的溫度依賴性，該結果是其他熱電子輻射計高五個數量級。

石墨量子點電功率與溫度的相對關系

文獻鏈接：Epitaxial graphene quantum dots for high-performance terahertz bolometers

4. 白熾光源的再利用-冷側熱發射鎢燈絲

由于太陽光譜和電池吸收原件的不匹配限制了太陽能電池的吸收效率，而白熾燈在使用過程中大量能源以熱能的形式散失了。而避免浪費的重要方式是根據使用要求調整熱發射光譜，該策略已經成功地應用到在中等溫度下的光子晶體發射器中，但是高溫下（>1000K）卻很難發揮該策略的優勢。

因此，美國麻省理工學院Ognjen Ilic等人提出一個簡單的方法，由冷側納米光子干涉系統包裹的白熾燈鎢絲(3,0 00 K)來發射紅外線和可見光，使得白熾燈鎢絲的發光效率 (～40%)超過目前所有的照明技術，并接近照明應用的極限。

冷側熱發射鎢燈絲的使用潛力

文獻鏈接：Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source

5. 可全面凈化水體的淀粉-活性炭復合膜

工業發展、能源生產和礦產開采等導致了環境污染物的的急劇增多，如重金屬離子、金屬氰化物和核廢料等。目前針對被污染水體的凈化技術都需要高昂的成本，并只針對某種單一的離子，因此，急需發展一種新型的凈水技術。

最近，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員發明了一種低成本的凈水材料，是一種用蛋白質淀粉纖維和多孔活性炭制備的復合膜結構材料，它可以清除水中的重金屬離子和放射性廢料等。經過一次過濾可以將水中的重金屬離子濃度降低三到五個量級，并可進行多次循環，而且它們的效率可在同時過濾好幾種離子時保持不變。這種復合膜材料的凈化能力主要是因為淀粉可從溶液中選擇性吸收重金屬離子。飽和后的復合膜可通過熱還原法回收它所吸收的貴重金屬，并用來制備金屬納米粒子或薄膜。

a：β乳球蛋白與重金屬離子結成最強鍵合；b：固定了重金屬離子的淀粉纖維；c：淀粉纖維-碳吸收凈化重金屬離子的示意圖

文獻鏈接：Amyloid–carbon hybrid membranes for universal water purification

6. 綜述：一種可同時控制腫瘤和抑制治療逃脫的光敏多重抑制劑-納米脂質體

納米藥物運載工具可通過促進藥物對腫瘤選擇性釋放來增強多式癌癥療法。然而這種方法療效有限，因為癌細胞會發展路徑來抵制和規避治療。

光敏多重抑制劑-納米脂質體（PMIL），會引發光敏細胞毒作用并同時促進光敏抑制劑的持續釋放，進而抑制腫瘤的再生和阻礙治療逃脫信號途徑。所述PMIL包括在脂質雙層摻雜光敏發色團（苯并卟啉衍生物，BPD）的納米脂質體，以及封裝有卡博替尼（XL184），一種多激酶抑制劑的納米顆粒。當PMIL靜脈內給藥后，近紅外腫瘤照射會觸發腫瘤細胞和微血管的光動力損傷，同時啟動腫瘤內XL184的釋放。

單PMIL治療實現了兩種小鼠模型中長期腫瘤的減少，并抑制了原位胰腺癌腫瘤模型中癌細胞的轉移。該PMIL通過控制藥物釋放的時間和空間和降低全身藥物暴露和相關毒性的風險，為治療癌癥提供了新前景。

上圖為使用PMILs來進行時間-時空同步結合療法的概念示圖。近紅外光會激活腫瘤微脈管系統內的PMILs，同時損傷軟組織新生血管，使得腫瘤細胞凋亡和壞死，以及破壞脂質體來啟動持續的多重激酶抑制。該PMIL輸送系統可同時傳送光動力抑制劑、化學藥物和小分子抑制劑，并可對其進行調控。

文獻鏈接：A photoactivable multi-inhibitor nanoliposome for tumour control and simultaneous inhibition of treatment escape pathways

本文由材料人編輯部學術組claire供稿，材料牛編輯整理。

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