材料大牛崔屹、鮑哲楠、陳剛、張翔、楊培東近期工作進展

在材料科學領域，提到崔屹、陳剛、張翔、楊培東、鮑哲楠教授的名字應該沒有人不知道吧。本文收錄了近期發表的代表性文章，供大家學習參考。

Science:功能材料在活細胞、組織和動物中的基因定向化學組裝

多細胞生物系統(如大腦)的結構和功能復雜性超出了人類的設計和組裝能力。活體組織中的細胞可以被用來構建合成材料或結構，如果按照解剖學上的定義來處理特定化學，利用生物學來組裝復雜的功能結構。通過整合工程酶靶向和聚合物化學，斯坦福大學鮑哲楠教授、Karl Deisseroth教授等人從基因上指示特定的活神經元來指導在質膜上的電功能(導電或絕緣)聚合物的化學合成。電生理和行為分析證實，合理設計、基因定向組裝的功能聚合物不僅保留了神經活性，而且實現了膜性質的重塑，調節了自由移動動物的細胞類型特異性行為。這種方法可以在生命系統中創造出多樣、復雜和有功能的結構和材料。相關研究以“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”為題目，發表在Science上。

DOI: 10.1126/science.aay4866

圖1?細胞內功能材料的基因靶向化學組裝

Nature?Biotech.：變形電子使生長組織的神經調節成為可能

調節神經系統的生物電子學在治療神經系統疾病方面已顯示出前景。然而，它們固定的尺寸不能適應組織的快速生長，并可能損害發育。對于嬰兒、兒童和青少年，一旦植入的設備長大后，往往需要額外的手術來更換設備，導致反復干預和并發癥。在這里，斯坦福大學鮑哲楠教授、Paul M. George教授開發了能夠在生長組織中實現神經調節的形變電子器械，適應體內神經組織生長與最小的機械約束。設計和制造多層變形電子元件，包括粘塑性電極和消除電子元件與生長組織之間界面應力的應變傳感器。在植入手術過程中，變形電子器件能夠自我修復，從而實現可重構和無縫的神經界面。在大鼠生長最快的時期，變形電子對大鼠的神經造成了最小的損傷，神經的直徑增長了2.4倍，并允許慢性電刺激和監測2個月沒有功能性行為中斷。變形電子提供了一條通向生長適應兒童電子醫學的道路。相關研究以“Morphing electronics enable neuromodulation in growing tissue”為題目，發表在Nature?Biotech.上。

DOI:?10.1038/s41587-020-0495-2

圖2?Morphe采用粘塑性電子材料

Nature Mater.：利用電化學誘導的相變對SrCoOx中熱傳輸的雙向調諧

與廣泛的電導率動態控制不同，不存在通過電勢調節導熱系數的類似能力。傳統的觀點認為，插入到材料晶格中的原子純粹是熱載體散射的來源，這只會降低熱傳導率。相比之下，這里麻省理工學院陳剛和Bilge Yildiz教授等人表明，電化學控制氧和質子濃度在氧化物提供了一種新的能力，雙向控制熱導。用電化學方法將SrCoO_2.5氧化成鈣鈦礦SrCoO_3-δ時，熱導率增加2.5倍，而對其質子化以形成氫化SrCoO_2.5則使熱導率降低4倍。通過使用離子液體門控在單個設備中觸發“三態”相變，可以實現室溫下近10±4倍范圍內的雙向熱導率調節。結合x射線吸收光譜的化學和結構信息、熱反射熱導率測量和從頭計算，闡明了這些陰離子和陽離子物質以及晶格常數和晶格對稱性的變化對熱導率的影響。這種通過電手段控制多種離子類型、多種相變和跨越金屬到氧化物絕緣行為的電子導電性的能力，為大范圍調節熱傳輸提供了一個新的框架。相關研究以“Bi-directional tuning of thermal transport in SrCoO_x?with electrochemically induced phase transitions”為題目，發表在Nature?Mater.上。

DOI: 10.1038/s41563-020-0612-0

圖3?BM-SCO上的離子液體和離子凝膠澆注

Science：離子明膠在室溫下具有巨大的熱電勢

從環境中收集能量并轉化為電能為物聯網傳感器提供電能的發展中有重要意義，通過這種供電作用能夠使其免于電纜/電池供電，支持了可穿戴設備的發展。熱電材料器件中，通過離子作為載流子，通常需要在不同溫度中在兩個電極之間進行熱擴散或還原反應。南方科技大學劉瑋書、麻省理工學院陳剛教授等發展了一種基于明膠（gelatin）的器件，通過堿金屬鹽和鐵基還原對配合，產生了一個非常大的熱電轉化效果。并且該裝置通過身體上發熱就能夠得到足夠的能量。制成的器件中最高的熱電能達到17.0 mV/K，明膠中的離子傳輸通過KCl，NaCl，KNO₃進行熱擴散作用，并通過[Fe(CN)₆^4-/Fe(CN)₆^3-]提升熱電效應。當通過身體熱能作為熱源的可穿戴器件中就可以達到2 V的熱電效應和最高5mW的功率。這種離子型明膠展現出離子能量載體在熱電轉換中的重要應用前景。相關研究以“Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature”為題目，發表在Science上。

文獻鏈接：DOI: 10.1126/science.aaz5045

圖4?i-TE材料的巨大熱電性質

Nature?Sustain.：用單原子催化劑處理有機廢水，電解產生H₂O₂

廢水中有機污染物的存在對人類和生態系統的健康構成相當大的風險。雖然依靠高活性自由基來破壞有機污染物的高級氧化工藝是很有吸引力的處理選擇，但大量的能源和化學投入限制了它們的實際應用。在此，斯坦福大學崔屹教授等人證明了石墨氮化碳（C₃N₄）中加入的銅單原子可以在pH 7.0時催化H₂O₂生成羥基自由基，且在過濾裝置中表現出強大的穩定性。研究進一步設計了一個電解反應器，用于現場從空氣、水和可再生能源產生H₂O₂。將單原子催化過濾器和H₂O₂電解發生器串聯在一起，就形成了一個廢水處理系統。這些發現為減少高級氧化過程的能源和化學需求，以及使其能夠在偏遠地區和偏遠社區實施提供了一條有希望的途徑。相關研究以“Organic wastewater treatment by a single-atom catalyst and electrolytically produced H₂O₂”為題目，發表在Nature?Sustain.上。

DOI: 10.1038/s41893-020-00635-w

圖5?污水處理系統示意圖

Nature Commun.：蛋白質分子免疫鋰金屬負極以防止枝晶生長用于高能電池

由于鋰枝晶的形成和生長，阻礙了金屬鋰陽極在高能密度鋰電池中的實際應用。在這里，澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授，Bing Sun教授，斯坦福大學崔屹教授，西班牙CIC Energigune能源合作研究中心的Michel Armand教授發現某種蛋白質可以有效地阻止和消除鋰枝晶的生長，從而使金屬鋰陽極具有較長的循環壽命和較高的庫侖效率。研究認為，蛋白質分子作為一種“自衛”劑，減輕鋰胚胎的形成，從而模仿自然的，病態的免疫機制。當加入電解質后，蛋白質分子自動吸附在鋰金屬陽極表面，特別是在鋰花蕾頂端，通過空間構象和二次結構轉變，從從α-螺旋到β-Sheet的轉變。這有效地改變了鋰花蕾尖端周圍的電場分布，使金屬鋰陽極鍍層和剝離均勻。此外，還開發了一種緩慢的緩釋策略，以克服蛋白質在醚基電解質中分散性有限的問題，顯著提高了鋰金屬電池2000多次循環的性能。相關研究以“Immunizing lithium metal anodes against dendrite growth using protein molecules to achieve high energy batteries”為題目，發表在Nature?Commun.上。

DOI:?10.1038/s41467-020-19246-2

圖6?絲蛋白自衛機制示意圖

Joule：利用Cu-Ag串聯催化劑高速率催化CO₂電解為多碳產物

串聯電催化通過多組分催化劑設計來解耦復雜的化學途徑中的各個步驟。這種概念對二氧化碳電轉換為多碳架(C₂₊)很有吸引力，特別是在高速率下。近日，美國加州大學伯克利分校的楊培東教授團隊報道了一種在氣體擴散電極（GDE）上的Cu-Ag串聯催化劑來提高從CO₂產生C₂₊的速率。其原理：先在Ag催化劑上將CO₂還原為CO，隨后在Cu上進行C-C偶聯來合成C₂₊產物。對比在1 M KOH中的可逆氫電極（RHE），在-0.70 V時，添加Ag后，Cu表面上的C₂₊局部電流從37 mA/cm²增加到160 mA/cm²，且兩種金屬之間相互沒有干擾。此外，在純CO₂或CO氣氛下，Cu-Ag串聯催化劑中固有的C₂H₄和C₂H₅OH活性明顯高于純Cu。研究結果表明，由Ag生成的富含CO的局部環境除了作為CO₂或CO的供給，還可以增強Cu上C₂₊的形成，說明在三相串聯環境中存在新的催化機理。相關研究以“Cu-Ag Tandem Catalysts for High-Rate CO₂?Electrolysis toward Multicarbons”為題，發表在Joule上。

DOI:?10.1016/j.joule.2020.07.009

圖7?銅銀串聯結構設計與表征

Nano?Letters：鈣鈦礦納米線異質結構中的固態離子整流

鹵化物鈣鈦礦由于其潛在的光電應用而引起了越來越多的研究關注。由于鹵化物鈣鈦礦裝置的活化能低，離子遷移在其長期穩定性和許多異常遷移行為中起著重要作用。然而，直接觀察和精確控制鹵化物鈣鈦礦晶體中的離子輸運仍然具有挑戰性。在這里，加州大學伯克利分校的楊培東教授團隊設計了一種軸向CsPbBr₃?-CsPbCl₃納米線異質結構，電場誘導的鹵化物離子遷移可以清晰地可視化和量化。研究證明鹵化物離子遷移是依賴于應用電場和展覽在這個固態離子整流系統，這是由于納米線中離子空位的不均勻分布，而離子空位的不均勻分布是由電極界面上的電屏蔽和它們的產生/破壞之間的競爭造成的。在以鹵化物鈣鈦礦為基礎的高級離子電路設計中，不對稱異質結構特性增加了一個控制離子運動的額外旋鈕。相關研究以“Solid-State Ionic Rectification in Perovskite Nanowire Heterostructures”為題目，發表在Nano Letters上。

DOI:?10.1021/acs.nanolett.0c03204

圖8?CsPbBr₃-CsPbCl₃異質結構納米線中電場誘導鹵化物離子遷移的示意圖和表征

Nature Physics：通過電驅動疊加變換的貝里曲率記憶

在二維層狀量子材料中，層的堆積順序決定了晶體的對稱性和電子性質，如貝里曲率、拓撲結構和電子相關性。電刺激可以影響準粒子相互作用和自由能環境，使動態修改疊加順序和揭示具有不同量子性質的隱藏結構成為可能。在這里，香港大學校長張翔教授在加州大學伯克利分校的科研團隊，和斯坦福大學Aaron M. Lindenberg教授的團隊合作演示了可以應用于設計基于少層WTe₂中貝里曲率的非易失性存儲器的電驅動堆疊轉換。平面外電場和靜電摻雜的相互作用控制了平面內層間的滑動，產生了多極性和中心對稱的疊加順序。原位非線性霍爾輸運表明，這種疊加重排在動量空間中產生了層對選擇性貝里曲率記憶，其中貝里曲率及其偶極子的符號反轉只發生在奇層晶體中。研究發現為探索拓撲結構、電子相關性和鐵電性之間隱藏疊加順序的耦合開辟了一條道路，并在原子薄極限下證明了一種新的低能量成本、電子控制的拓撲存儲器。相關研究以“Berry curvature memory through electrically?driven stacking transitions”為題目，發表在Nature?Physics上。

DOI: 10.1038/s41567-020-0947-0

圖9?WTe₂中兩種不同電驅動相變的特征

Nature?Commun.：基于反厄米特超表面的亞波長像素化CMOS顏色傳感器

對尺寸不斷減小、性能不斷提高的基本像素組件的需求是當前光電應用的核心，包括成像、傳感、光電和通信。像素的大小，然而，嚴重限制的基本約束的光波衍射。目前使用透射濾光片和平面吸收層的發展可以縮小像素的尺寸，但當像素尺寸接近波長尺度時，還需要解決光學和電子串擾這兩個主要問題。所有這些基本約束都阻止了像素尺寸的不斷減小和性能的增強。在此，加州大學伯克利分校、香港大學張翔教授等人演示了一個基于反厄米特超表面CMOS兼容平臺上的亞波長尺度顏色像素。與傳統像素形成鮮明對比的是，光譜濾波采用的是結構色，而不是透射濾光片，同時具有較高的顏色純度和量子效率。因此，這個超過28000像素的亞波長反厄米特超表面傳感器，能夠在100 nm的可見光波段對三種顏色進行排序，而不受正常入射光的偏振影響。此外，量子產率接近商業硅光電二極管，響應率超過0.25 a /W的每個通道。我們的演示為亞波長像素化CMOS傳感器打開了一扇新的大門，并承諾未來高性能光電系統。相關研究以“Subwavelength pixelated CMOS color sensors based on anti-Hermitian metasurface”為題目，發表在Nature?Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-020-17743-y

圖10?三通道、二維、反厄米特PIN Si超表面的光學設計與仿真

文中所述如有不妥之處，歡迎評論區留言~

本文由Junas供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。