诺奖得主Nature Nano., 厦大Science Adv., 南大Nature Photon丨顶刊日报20190904
1. Nature Nanotechnology: 原子级薄云母作为质子传导膜
单层石墨烯和六方氮化硼（hBN）对热质子具有高度可渗透性。对于较厚的二维（2D）材料，质子传导率呈指数减小，因此，例如，仅三个原子厚度的单层MoS2对质子完全不可渗透。这似乎表明只有一个原子厚的晶体可以用作质子传导膜。英国曼彻斯特大学A. K. Geim，M. Lozada-Hidalgo和G.-P. Hao等人研究表明，如果天然阳离子与质子进行离子交换，那么在原子尺度上相当厚的少层云母就会变成优质的质子导体。其面电导率超过石墨烯和hBN的电导率一到两个数量级。
重要的是，离子交换的2D云母在质子传导材料的间隙内表现出这种高导电性，从~100 °C延伸到500 °C。质子交换单层云母的面电导率在500 °C时可达到100 S cm-2以上，远高于目前工业要求。研究人员将快速质子渗透归因于约5埃宽的管状通道，其穿透云母的晶体结构，在离子交换后，其内部仅含有羟基。该工作表明，可能存在具有类似纳米级通道的其他2D晶体，这有助于缩小质子传导应用中的材料间隙。
Atomicallythin micas as proton-conducting membranes，Nature Nanotechnology (2019)
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0536-5
2. 厦门大学Science Advances：温和条件下碳纳米锥的精准合成
碳纳米锥是一种特殊的全碳同素异形体，预计具有与富勒烯，碳纳米管和石墨烯不同的独特性质。早在50年前人们在热解碳时发现了这类结构，但始终未能找到合适方法精准地合成它们。近日，厦门大学谢素原，张前炎等首次通过有机合成途径，在温和的条件下合成得到了首例结构明确的碳锥单元（碳锥子）C70H20及其可溶衍生物。其合成路径相对简单，以商业可得的碗烯分子（Corannulene）作为起始原料，经过3步经典的有机反应便可实现该碳锥子的精准合成。值得一提的是，在即将碗状分子前体转化成锥状分子的反应过程中，需要克服相当大的张力，原本类似的关环反应都需剧烈的反应条件，然而，在他们报道的反应中每两步关环都能得到一次芳构化的能量降低，使得他们的关环反应可以在零度或室温条件下完成。理论计算表明，最后的关环反应是通过芳构化来克服43.5 kcal/mol的张力的。
3. Nature Materials: 中间电子态在有机分子的自旋翻转过程的关键作用
纯有机分子系统中的自旋翻转通常是不允许发生的过程。然而，通常观察并利用它来在各种基于有机材料的应用中收获三重态激子。虽然最低单线态和最低三线态激发态之间的自旋翻转的初始和最终电子状态是必然的，但是发生自旋翻转的中间状态的确切过程和作用仍然远未被全面确定。
日本九州大学Hajime Nakanotani，Chihaya Adachi和佐治亚理工学院Jean-Luc Brédas团队通过解决方案中的实验光物理研究结合第一原理量子力学计算，研究表明多个供体-受体电荷转移型有机分子系统中的有效自旋翻转涉及中间三重激发态的关键作用。这对应于系统的部分分子结构。提出的机制统一了对各种电荷转移型分子系统中系统间交叉机制的理解，为更好地控制自旋翻转速率开辟了道路。
Criticalrole of intermediate electronic states for spin-flip processes incharge-transfer-type organic molecules with multiple donors and acceptors，Nature Materials (2019)
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0465-6
4. Nature Chemistry: 聚乙炔单链的表面合成与表征
聚乙炔（PA）由sp2杂化的碳原子形成的一维碳链组成，其中碳原子既有顺式构型又有反式构型。由于其简单的化学结构和特殊的电子性质，PA是了解导电聚合物电荷传输性质的理想体系。在本文中，瑞士伯尔尼大学的Roman Fasel和同济大学的Wei Xu等报道了顺式和反式PA链的表面合成及其原子尺度的表征。
他们利用非接触型原子力显微镜对单链PA的结构进行了表征，并通过解析单键单元证实了PA的形成。角分辨光发射光谱表明当通过掺杂诱导抑制铜（110）晶面上反式PA的佩尔斯键交替时，PA单链发生了从半导体态向金属态的转变。随着氧化铜的嵌入，电子去耦的反式PA链的带隙变为2.4 eV。该项研究为研究实空间和倒易空间中的单PA链提供了借鉴，并可以进一步扩展到研究导电聚合物中非线性激子的固有特性中去。
ShiyongWang, Roman Fasel, Wei Xu et al, On-surface synthesis and characterization ofindividual polyacetylene chains, Nature Chemistry, 2019
https://www.nature.com/articles/s41557-019-0316-8
5. Nature Photon.: 延迟选择实验中的量子波粒子叠加
波粒二象性体现了量子物理学的违反直觉的特征。一个引人注目的例子是量子延迟选择实验，该实验基于Wheeler的经典延迟选择gedanken实验，但增加了一个量子控制装置，可实现波到粒子的转换。近日，南京大学Xiao-song Ma研究团队实现了量子延迟选择实验。
在这个实验中，研究人员控制光子的波和粒子状态，特别是它们之间的相位，从而直接建立波粒子的创建量子特性。产生三光子纠缠态并将一个光子注入嵌入186米长的双光子Hong-Ou-Mandel干涉仪中的Mach-Zehnder干涉仪。第三个光子从干涉仪发送141米远程，并根据爱因斯坦局部条件下的独立主动选择远程制备双光子量子门。研究人员在经典和量子场景中实现波与粒子状态之间的转换，因此测试了从根本上超越早期实现的互补原理。
Wang,K. Ma, X.-S. et al. Quantum wave–particle superposition in a delayed-choice experiment. NaturePhoton. 2019.
DOI:10.1038/s41566-019-0509-0
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0509-0.pdf
6. Nature Photon.: 基于石墨烯的金属诱导的能量转移用于亚纳米光学定位
单分子荧光成像已成为几乎所有研究领域不可或缺的工具，从基础物理学到生命科学。其最重要的应用是单分子定位超分辨率显微镜（SMLM）（例如，光活化定位显微镜（PALM），随机光学重建显微镜（STORM），荧光PALM（fPALM）和纳米级地形成像点积累（PAINT））。实际上，单个分子图像的中心位置可以比图像本身的大小更精确地确定。
然而，SMLM的一大挑战是在第三维度上实现超分辨率。最近，引入金属诱导能量转移（MIET）以轴向定位荧光发射器。这利用了从激发的荧光团到薄金属膜中的等离子体的能量转移。哥廷根大学Narain Karedla 和Jörg Enderlein等人研究表明，通过使用石墨烯作为“金属”层，可以将MIET的定位精度提高近十倍。研究人员通过轴向定位单个发射器并通过测量具有ångström精度的脂质双层的厚度来证明这一观点。
Graphene-basedmetal-induced energy transfer for sub-nanometre optical localization, Nature Photonics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0510-7
7. Nature Electronics: 石墨烯带作为超小纳米机电加速度计中的传感器
纳米机电系统（NEMS）传感器和执行器可用于开发下一代移动，可穿戴和可植入设备。然而，这些NEMS器件需要超小，灵敏且可以低成本制造的换能器。瑞典皇家理工学院Xuge Fan，Max C. Lemme和Frank Niklaus等人研究表明，带有附着硅质量块的悬浮双层石墨烯带可以用作组合弹簧质量和压阻式传感器。
使用与大规模半导体制造技术兼容的工艺创建的换能器可以产生NEMS加速度计，其比传统的最先进的硅加速度计占用至少两个数量级的芯片面积。通过该器件，研究人员还提取了双层石墨烯的杨氏模量值，并表明石墨烯带具有显著的内置应力。
Grapheneribbons with suspended masses as transducers in ultra-smallnanoelectromechanical accelerometers，Nature Electronics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0287-1
8. Nat. Commun.：空间限域制备超薄有机单晶阵列
制备超薄有机半导体纳米结构在集成电子和光电子应用领域受到了广泛关注。然而，制备具有精确排列、可调形貌和高结晶度的超薄有机纳米结构以实现器件集成仍然具有一定挑战性。有鉴于此，中国科学院理化技术研究所的Yuchen Wu和北京航空航天大学Xiangyu Jiang等将晶化过程限制在亚纳米空间内，成功实现了不同尺寸和形状的超薄有机单晶阵列的组装制备。
通过控制施加在模板上的压力来实现有机单晶纳米结构有序的生长，晶体的可控厚度范围可从低于10 nm到1 μm。后续研究证实该方法具有通用性，对有机小分子、聚合物、金属卤化物钙钛矿和纳米粒子等均可以有效实现可控的生长。该项技术充分利用了有限空间来控制结晶动力学，有望促进有机半导体的电子集成。
HanfeiGao, Yuchen Qiu, Jiangang Feng, Shuang Li, Huijie Wang, Yuyan Zhao, Xiao Wei,Xiangyu Jiang, Yewang Su, Yuchen Wu & Lei Jiang. Nano-confined crystallizationof organic ultrathin nanostructure arrays with programmable geometries. Nat. Commun.,2019
DOI：10.1038/s41467-019-11883-6
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11883-6
9. Nat. Commun.：胶体纤维/环协同组装的机理研究
Janus胶体是探索具有化学异构表面(如蛋白质)的粒子结构形成过程的理想模型系统。目前虽然有大量关于此工作的理论研究，但很少有实验能够实现，主要是由于缺乏有效的方法来可控制备具有良好可变Janus平衡的胶体。有鉴于此，纽约大学David J. Pine，Gi-Ra Yi和密歇根大学Sharon C. Glotzer等发展了一个简单的可大规模制备的方法，可在广泛的范围内精确地改变Janus平衡并选择性地进行DNA片段功能化。
作者结合实验和理论，揭示了不同超级结构的动态形成过程：胶体胶束、链或双层结构，并证实了这一过程取决于Janus平衡。后续研究发现二聚体和三聚体的形成机理不同，柔性二聚体链是通过协同聚合形成的；而三聚体链则是通过两步反应形成的，首先是通过协同聚合形成无序的团聚体，然后缩聚形成有序的刚性三聚体链。
JoonSuk Oh, Sangmin Lee, Sharon C. Glotzer, Gi-Ra Yi & David J. Pine. Colloidalfibers and rings by cooperative assembly. Nat. Commun.,2019
DOI：10.1038/s41467-019-11915-1
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11915-1
10. Nat. Commun.：锰基层状结构中层状结构和尖晶石结构之间的可逆相变
层状结构向尖晶石结构的不可逆相变对于大多数层状结构阴极材料而言都是有害的。有鉴于此，韩国东国大学Yong-Mook Kang和成均馆大学的Won-Sub Yoon等报道了以NaxMnO2·yH2O为基本结构单元，不可逆的相变可以变成可逆相变。
研究发现，这种层状结构含有结晶水，有助于形成亚稳态尖晶石相和可逆的转化为层状结构。作者结合实验和理论计算阐明了可逆相变的机理，在电化学反应过程中，层状相和尖晶石状相之间的结晶水含量调节了相变的可逆性，从而激活了新的阳离子位点，增强了离子扩散动力学，提高了其结构稳定性。
MiRu Jo, Yunok Kim, Junghoon Yang, Mihee Jeong, Kyeongse Song, Yong-Il Kim,Jin-Myoung Lim, Maenghyo Cho, Jae-Hyun Shim, Young-Min Kim, Won-Sub Yoon &Yong-Mook Kang. Triggered reversible phase transformation between layered andspinel structure in manganese-based layered compounds. Nat. Commun.,2019
DOI：10.1038/s41467-019-11195-9
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11195-9
11. Nat. Commun.：导电碳纳米纤维穿透石墨烯结构用于超稳定钠离子电池
长期的稳定性和大电流性能一直是钠离子电池面临的主要挑战。具有机械坚固性、化学稳定性、良好导电性网络的层状电活性材料可以有效地解决这些问题。有鉴于此，格里菲斯大学Shanqing Zhang，江南大学Tianxi Liu和江苏师范大学成Chao Lai等将碳纳米纤维垂直穿透石墨烯薄片，构建出了碳纳米纤维相互穿透的石墨烯材料。
然后原位生长二硫化钼纳米薄片，生成了二硫化钼@碳纳米纤维相互穿透的石墨烯结构。基于上述结构制备的钠离子电池具有优异的电化学性能和超高的稳定性，比容量达到598 mAh g−1，长期循环稳定性可达1000次，即使在10 A g−1高电流密度下，也具有优异的大电流性能。
MingkaiLiu, Peng Zhang, Zehua Qu, Yan Yan, Chao Lai, Tianxi Liu & Shanqing Zhang. Conductivecarbon nanofiber interpenetrated graphene architecture for ultra-stable sodiumion battery. Nat. Commun.,2019
DOI：10.1038/s41467-019-11925-z
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11925-z
12. PNAS: 无损内外成像技术助力可充锂离子电池的快速诊断
与现代高能量密度可充电电池有关的安全风险问题使得对先进电池筛选技术的需求日益迫切。由于电化学材料的固有磁性，一个普通的可充电电池在均匀磁场下会产生一个特征场扰动。这种微扰模式取决于器件的设计、充电状态、累积的机械缺陷和制造缺陷等诸多因素。
在本文中，纽约大学的Konstantin Romanenkoa和Alexej Jerschowa等发现磁共振成像对感应磁场的定量分析可以为无创电池的诊断提供依据。磁共振成像畸变和快速信号衰减是大多数商业电池中所存在的强磁性成分所面临的主要挑战。他们发现这种现象可以通过使用T1增强的单点倾斜成像（SPRITE）来避免。由强背景梯度和涡流引起的图像伪影对该方法成像不会造成影响。这种具有良好的图像质量的SPRITE模式对商业锂离子电池中的缺陷和电荷分布状态非常敏感。
Konstantin Romanenkoa and Alexej Jerschowa et al, Distortion-free inside-out imaging forrapid diagnostics of rechargeable Li-ion cells,PNAS, 2019
DOI: 10.1073/pnas.1906976116
https://www.pnas.org/content/early/2019/08/29/1906976116.short?rss=1
13. AOM: 最新钙钛矿LED衰退机理研究
有机 - 无机金属卤化物钙钛矿已经引起了对低成本，高效率，纯色发光应用的极大关注。然而，正如迄今为止的许多报告中所见，钙钛矿发光二极管（PeLED）的使用寿命较差，限制了它们的实际应用。潜在的退化机制是一个至关重要的话题。近日，霍尔斯特中心Gerwin Gelinck研究了甲基溴化铅基PeLED的降解机理。
当PeLED被电偏置时，亮度初始升高，随后亮度和电流密度迅速降低。显微镜研究揭示了微米大小的斑点的形成，这些斑点是光致发光但不是电致发光的。这种降解是由于气态化合物的形成导致阴极的局部分层，从而减少了电致发光。当降解的阴极被新阴极取代时，初始亮度大大恢复。通过进一步分析阴极的界面，揭示了由于钙钛矿层的退化导致的溴化铅和气态甲胺的形成。这些见解将有助于进一步改善PeLED的使用寿命。例如，显示用铯取代甲基铵阳离子导致更长的寿命。
Prakasam, V. Gelinck, G. etal. Degradation Mechanisms in Organic Lead Halide Perovskite Light-Emitting Diodes. AOM 2019.
DOI:B10.1002/adom.201900902
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adom.201900902
14. ACS Nano：近红外激发正交发射上转换纳米粒子用于成像指导的按需治疗
光动力疗法(PDT)是一种重要的临床肿瘤治疗策略。但是，如何建立一个智能的诊疗平台来对PDT治疗过程中活性氧的生成进行时空控制仍然具有很大的挑战性。上海大学朱晓辉博士、刘金亮博士和张勇教授合作制备一种了可被808和980 nm两种不同的近红外光(NIR)激发的，具有正交发射特性的上转换纳米粒子(UCNPs)，其在980nm激发下会发射红色光，在808nm激发下则发射绿色光。
与传统的UCNPs不同，这一研究制备的具有核壳结构的UCNPs没有复杂的多层掺杂，它的红色和绿色上转换发光都来自于核结构中的Er3+离子。研究也进一步证明这些UCNPs可用于用于成像指导的PDT治疗，它发射的红色光可以用于触发PDT，而发射的绿色光可用于诊断和监测治疗。这一工作表明，具有正交发射性能的UCNPs有望对近红外光成像指导的治疗实现精确时空控制。
MingTang, Xiaohui Zhu, Jinliang Liu, Yong Zhang. et al. Near-Infrared Excited Orthogonal Emissive Upconversion Nanoparticles for ImagingGuided On-Demand Therapy. ACS Nano. 2019
DOI:10.1021/acsnano.9b04200
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b04200
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