唐本忠、俞書宏、黃維、李燦、張濤等8位院士工作大合集

本文匯總了近期院士們的工作成果，供大家參考學習。

Nature Materials：孤立發色團限域策略實現高效藍色室溫磷光

高效的藍色磷光是有機光電應用的關鍵。三重態能級和抑制非輻射躍遷的無重原子有機體系已被證明是困難的，這是高效藍色磷光的關鍵要求。在這里，南京工業大學黃維院士、安眾福，聯合新加坡國立大學劉小鋼等人展示了基于限制離子晶體中孤立的發色團的一種實現高性能藍色熒光粉的簡單化學策略。在離子晶體的陽離子和發色團的羧酸基團之間形成高密度的離子鍵，導致分離的分子排列，可以忽略發色團間的相互作用。結果表明，通過改變發色團及抗衡離子的種類，可以實現發光顏色從藍色到深藍色的調節，其最大磷光效率為96.5%。此外，由于該類有機離子晶體的高效長余輝和水溶性的特征，實現了該類材料在快速、高通量的數據加密、指紋識別和余輝顯示的應用。這項工作為高效藍色有機磷光的設計提供了參考，并將有機磷光的應用拓展到余輝顯示等新領域。相關研究成果以“Confining isolated chromophores for highly efficient blue phosphorescence”為題目，發表在Nature Materials上。DOI:?10.1038/s41563-021-01073-5

圖1?高效藍色磷光材料的數據加密、指紋識別和余輝顯示器件的應用

JACS：3D納米錐TiO₂基光電催化高效降解持久性污染物

光電催化降解有機污染物為CO₂和H₂O是解決日益增長的環境問題的一個有前途的策略。二氧化鈦(TiO₂)因其優良的性能和對環境的友好性而得到廣泛的研究;然而，由于TiO₂催化劑的快速電子-空穴重組，其PEC活性受到很大限制。在此，蘭州大學李燦院士等人報道了一種TiO₂納米錐體光電催化劑，具有優越的降解性能和優異的耐久性。在濃度為20ppm時，該催化劑可促進PEC對4-氯酚(4- cp)的降解，降解效率達99%，礦化效率達55%以上。納米錐催化劑的標準化表觀速率常數為5.05 h^–1?g^–1 m²，分別是納米棒催化劑的3倍和聚合顆粒催化劑的6倍。進一步的表征表明，TiO₂的錐形形態可以使光生電荷更有效地分離和轉移，從而產生出色的PEC活性。此外，計算流體力學模擬表明，三維錐形結構有利于傳質。該工作強調了在納米尺度上調整光電催化劑的形態不僅可以促進電荷轉移，而且可以促進質量傳輸，共同提高了PEC在降解持久性污染物中的性能。相關研究以“Highly Efficient Degradation of Persistent Pollutants with 3D?Nanocone TiO₂?Based Photoelectrocatalysis”為題目，發表在JACS上。DOI: 10.1021/jacs.1c05008

圖2?Na₂EDTA輔助水熱法構筑不同形貌結構的TiO₂?催化劑示意圖

JACS：聚合物納米通道離子傳輸脫水合過程的原位表征

水合離子通過納米通道的傳輸是生物系統和基于膜的應用的核心，但由于缺乏原位表征技術，對其在傳輸過程中的水合結構知之甚少。中國科學院生態環境研究中心曲久輝院士、胡承志，與耶魯大學教授Menachem Elimelech等人合作將飛行時間-二次離子質譜（ToF-SIMS）與微流控過濾裝置耦合，首次實現了水合離子跨膜傳輸過程中脫水合現象的原位觀測。結果表明，水合鈉離子(H₂O)_nNa⁺（n=1~6）在體相溶液中水合數分布呈現以(H₂O)₃Na⁺為優勢形態的類正態分布。當溶液pH提高時，電荷屏蔽效應將導致(H₂O)_nNa⁺水合分布向小水合方向偏移，優勢形態轉變為(H₂O) Na⁺。而經過聚酰胺鈉濾膜NF 90截留，水合數大于2的水合鈉離子比例顯著下降，(H₂O) Na⁺及(H₂O)₂Na⁺成為優勢形態，平均水合數從3.03減少至1.86，研究首次從實驗角度證實了孔道尺寸效應所引起的水合離子脫水合現象。研究團隊選取不同孔徑大小的聚酰胺濾膜對水合鈉離子進行截留，進一步驗證了孔徑大小與水合離子尺寸之間的匹配關系。此外，研究還發現，膜孔內部的離子化羧基與脫水合離子之間具有較強的粘性效應，這種源自靜電相互作用的粘性力會阻礙部分脫水合離子在孔道內部的傳輸。新型原位離子溶劑化研究技術是納米流體領域的重大技術飛躍，可能在離子分離、生物傳感和電池應用方面取得重要進展。相關研究以“In Situ Characterization of Dehydration during Ion Transport in Polymeric Nanochannels”為題目，發表在JACS上。DOI: 10.1021/jacs.1c05765

圖3?NaCl溶液經NF90過濾前后h_Na+分布的變化

Nano Letters：DNA納米結構程序化細胞進入角介導分子與膜受體的相互作用

盡管DNA具有多陰離子性質，但它可以通過組裝成特定的納米結構，穿過帶負電荷的膜進入活細胞，為生物醫學應用創造各種機會。機理研究解釋DNA納米結構的幾何參數如何影響細胞進入是至關重要的，但難以捉摸。湖南大學譚蔚泓院士、Liping Qiu等人采用實驗和模擬的方法研究了細胞與三種典型骨架核酸（FNAs）包括四面體、三棱柱和正方體之間的相互作用。這些FNAs的細胞攝取效率不同，在多個細胞系中也存在類似的差異。清道夫受體(SRs)被證明在介導攝取過程中是必不可少的。分子對接模擬結果表明，SR結合主要取決于FNAs的轉角，決定了細胞內化頻率。這項研究清楚地解釋了FNAs與膜相互作用的原因，啟動細胞進入，為治療納米載體的設計和病毒入侵的研究提供了新的線索。相關研究以“DNA Nanostructure-Programmed Cell Entry via Corner Angle Mediated Molecular Interaction with Membrane Receptors”為題目，發表在Nano?Letters上。DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02191

圖4?TE(A)、TP (B)、CU (C)中SRCR結構域結合位點的分布

AM：MnO₂聯合上轉換納米平臺和具有AIE性能的I型光敏劑用于癌癥治療

多功能納米平臺的開發已被認為是一種有前景的光動力治療策略。聚集誘導發射(AIE)光敏劑通過I型活性氧(ROS)生成途徑產生，由于其耐缺氧、高效生成ROS和熒光成像導航的能力而成為潛在的候選藥物。為了進一步提高它們的性能，深圳大學王東副教授和香港科技大學唐本忠院士提出了一種簡單而通用的方法來構建一種谷胱甘肽(GSH)消耗和近紅外(NIR)調節的用于雙模態成像引導光動力治療(PDT)的納米平臺。實驗通過將上轉化納米粒子(UCNPs)與AIE活性光敏劑共沉淀，并原位包覆MnO₂外殼而構建了該納米平臺。UCNPs的引入使得該AIE光敏劑能夠被NIR光激活，進而可通過I型通路產生·OH。隨后，細胞內高水平的GSH也能夠分解MnO₂以產生Mn²⁺，從而實現GSH消耗和細胞內·OH水平的提高。同時，生成的Mn²⁺可在腫瘤特定部位進行T1加權磁共振成像(MRI)，介導細胞內H₂O₂向·OH的轉化。這些輸出顯示了一個三重跳躍·OH的產生，該方法在FLI-MRI引導下的PDT中表現優異，療效高，在未來的臨床應用中具有很大潛力。相關研究以“Triple-Jump Photodynamic Theranostics: MnO2 Combined?Upconversion Nanoplatforms Involving a Type-I?Photosensitizer with Aggregation-Induced Emission?Characteristics for Potent Cancer Treatment”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202103748

圖5?FLI-MRI雙模態成像引導PDT的納米合成和三跳光動力治療的示意圖

Nature Commun.：聚合小分子受體全聚合物太陽能電池的效率為16.16%

基于聚合小分子受體(PSMAs)的全聚合物太陽能電池(all-PSCs)近年來取得了重大進展。近日，中科院化學研究所李永舫院士、孟磊、關波，聯合北卡羅來納州立大學Harald Ade等人報道了設計并合成了以苯并[c][1，2，5]噻二唑（BS）A’核為結構單元的A-DA’D-A結構的Y6- SMA和以苯并三氮唑（BN）A’核為構筑基團的Y18-SMA和以硒為π橋聯單元的PS-Se和PN-Se兩種新型PSMAs。兩種PSMAs具有廣泛的吸收，其中PN-Se比PS-Se表現出更多的紅移吸收，并具有合適的電子能級，可作為聚合物受體應用于以PBDB-T為聚合物供體的全pscs中。低溫透射電子顯微鏡可以觀察PBDB-T供體和PSMA在溶液中的聚集行為。PIFM分析結果進一步表明，PBDB-T：Pn-Se共混物具有明顯的雙連續互穿聚合物施主/受主網絡，改善了all-PSC的激子解離和電荷輸運。此外，GIWAXS結果表明，PN-Se基共混膜比PS-Se基共混膜具有更有序和更廣泛的取向。實驗結果顯示，基于PBDB-T:PN-Se的all-PSC顯示出16.16%的高PCE。相關研究以“Polymerized small molecular acceptor based allpolymer solar cells with an efficiency of 16.16% via?tuning polymer blend morphology by molecular?design”為題目，發表在Nature?Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-25638-9

圖6?PS-Se和PN-Se的分子結構和理化性質

AM：用于智能振動和磁傳感器的高壓縮和可伸縮的碳彈簧

多孔碳材料以其誘人的特性而得到了廣泛的應用，機械彈性是保證其耐用性的基本屬性。經過幾十年的研究，多孔碳材料的壓縮脆性得到了很好的解決。然而，由于多孔碳網絡本身的薄弱連接和脆弱連接，實現可逆拉伸仍然是一個挑戰。研究人員已經報道了通過設計獨特的長程層狀多拱微結構，可以有效地避免多孔石墨烯-碳復合材料整體在壓縮變形下固有的脆性，從而產生優異的壓縮彈性。近日，受拱形弓彈性變形的啟發，中科大俞書宏院士等人報道了進一步研究了這種獨特的多孔碳材料在可伸縮變形下的彈性。研究發現，這種微結構設計還可以使多孔整體具有令人印象深刻的可逆伸長性，最大拉伸應變約為-80%，從而可以獲得真正的彈性全碳彈簧。值得注意的是，該碳彈簧在壓縮-拉伸循環下獲得了幾乎完全恢復（從?60%到80%）、較小的能量消耗（≈0.2）和顯著的抗疲勞性能（1×10⁴次循環）。通過原位微觀觀察和有限元（FE）模擬，研究人員證實了碳彈簧在拉伸載荷作用下的彈性變形機制。這種碳彈簧憑借其優越的機械性能，在極端溫度下也可作為高性能振動傳感器和磁性傳感器的優良平臺，具有廣闊的應用前景。相關研究以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring?for Smart Vibration and Magnetism Sensors”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102724

圖7?制造、結構和機械性能

Angew.：分子篩定制的“限域毗鄰”結構用于制備戊酸酯類生物燃油

生物燃料生產可能是緩解當前對化石資源的嚴重依賴和相關的二氧化碳排放問題的可行選擇。加氫脫氧是指生產生物燃料的一系列重要的生物煉制過程。近日，中科院大連化學物理研究所張濤院士與副研究員羅文豪團隊聯合荷蘭烏特勒支大學教授Bert M.Weckhuysen，設計并構筑了具有金屬-酸“限域毗鄰”結構的分子篩雙功能催化劑，實現了無溶劑體系下由纖維素醇解平臺分子乙酰丙酸乙酯“一鍋法”高效制備戊酸酯類生物燃油的新路線。研究展示了分散良好和超小的釕金屬納米團簇(~1 nm)，限制在Y型沸石的微孔內，提供了所需的活性位點親密性，這顯著提高了化學選擇性。提高催化劑穩定性的關鍵是La的加入，它通過防止催化過程中沸石晶格的分解來維持有限的接近性。結合多種光譜和電鏡表征、探針分子實驗，證實了金屬-酸活性中心在分子篩內部“限域毗鄰”結構的精準定制。相關研究以“Zeolite-Tailored Active Site Proximity for the Efficient Production?of Pentanoic Biofuels”為題目，發表在Angew.上。DOI: 10.1002/ange.202108170

圖8?La對Ru分散和催化劑穩定性的影響

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