材料大牛崔屹、鲍哲楠、陈刚、张翔、杨培东近期工作进展

在材料科学领域，提到崔屹、陈刚、张翔、杨培东、鲍哲楠教授的名字应该没有人不知道吧。本文收录了近期发表的代表性文章，供大家学习参考。

Science:功能材料在活细胞、组织和动物中的基因定向化学组装

多细胞生物系统(如大脑)的结构和功能复杂性超出了人类的设计和组装能力。活体组织中的细胞可以被用来构建合成材料或结构，如果按照解剖学上的定义来处理特定化学，利用生物学来组装复杂的功能结构。通过整合工程酶靶向和聚合物化学，斯坦福大学鲍哲楠教授、Karl Deisseroth教授等人从基因上指示特定的活神经元来指导在质膜上的电功能(导电或绝缘)聚合物的化学合成。电生理和行为分析证实，合理设计、基因定向组装的功能聚合物不仅保留了神经活性，而且实现了膜性质的重塑，调节了自由移动动物的细胞类型特异性行为。这种方法可以在生命系统中创造出多样、复杂和有功能的结构和材料。相关研究以“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”为题目，发表在Science上。

DOI: 10.1126/science.aay4866

图1 细胞内功能材料的基因靶向化学组装

Nature Biotech.：变形电子使生长组织的神经调节成为可能

调节神经系统的生物电子学在治疗神经系统疾病方面已显示出前景。然而，它们固定的尺寸不能适应组织的快速生长，并可能损害发育。对于婴儿、儿童和青少年，一旦植入的设备长大后，往往需要额外的手术来更换设备，导致反复干预和并发症。在这里，斯坦福大学鲍哲楠教授、Paul M. George教授开发了能够在生长组织中实现神经调节的形变电子器械，适应体内神经组织生长与最小的机械约束。设计和制造多层变形电子元件，包括粘塑性电极和消除电子元件与生长组织之间界面应力的应变传感器。在植入手术过程中，变形电子器件能够自我修复，从而实现可重构和无缝的神经界面。在大鼠生长最快的时期，变形电子对大鼠的神经造成了最小的损伤，神经的直径增长了2.4倍，并允许慢性电刺激和监测2个月没有功能性行为中断。变形电子提供了一条通向生长适应儿童电子医学的道路。相关研究以“Morphing electronics enable neuromodulation in growing tissue”为题目，发表在Nature Biotech.上。

DOI: 10.1038/s41587-020-0495-2

图2 Morphe采用粘塑性电子材料

Nature Mater.：利用电化学诱导的相变对SrCoOx中热传输的双向调谐

与广泛的电导率动态控制不同，不存在通过电势调节导热系数的类似能力。传统的观点认为，插入到材料晶格中的原子纯粹是热载体散射的来源，这只会降低热传导率。相比之下，这里麻省理工学院陈刚和Bilge Yildiz教授等人表明，电化学控制氧和质子浓度在氧化物提供了一种新的能力，双向控制热导。用电化学方法将SrCoO_2.5氧化成钙钛矿SrCoO_3-δ时，热导率增加2.5倍，而对其质子化以形成氢化SrCoO_2.5则使热导率降低4倍。通过使用离子液体门控在单个设备中触发“三态”相变，可以实现室温下近10±4倍范围内的双向热导率调节。结合x射线吸收光谱的化学和结构信息、热反射热导率测量和从头计算，阐明了这些阴离子和阳离子物质以及晶格常数和晶格对称性的变化对热导率的影响。这种通过电手段控制多种离子类型、多种相变和跨越金属到氧化物绝缘行为的电子导电性的能力，为大范围调节热传输提供了一个新的框架。相关研究以“Bi-directional tuning of thermal transport in SrCoO_x with electrochemically induced phase transitions”为题目，发表在Nature Mater.上。

DOI: 10.1038/s41563-020-0612-0

图3 BM-SCO上的离子液体和离子凝胶浇注

Science：离子明胶在室温下具有巨大的热电势

从环境中收集能量并转化为电能为物联网传感器提供电能的发展中有重要意义，通过这种供电作用能够使其免于电缆/电池供电，支持了可穿戴设备的发展。热电材料器件中，通过离子作为载流子，通常需要在不同温度中在两个电极之间进行热扩散或还原反应。南方科技大学刘玮书、麻省理工学院陈刚教授等发展了一种基于明胶（gelatin）的器件，通过碱金属盐和铁基还原对配合，产生了一个非常大的热电转化效果。并且该装置通过身体上发热就能够得到足够的能量。制成的器件中最高的热电能达到17.0 mV/K，明胶中的离子传输通过KCl，NaCl，KNO₃进行热扩散作用，并通过[Fe(CN)₆^4-/Fe(CN)₆^3-]提升热电效应。当通过身体热能作为热源的可穿戴器件中就可以达到2 V的热电效应和最高5mW的功率。这种离子型明胶展现出离子能量载体在热电转换中的重要应用前景。相关研究以“Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature”为题目，发表在Science上。

文献链接：DOI: 10.1126/science.aaz5045

图4 i-TE材料的巨大热电性质

Nature Sustain.：用单原子催化剂处理有机废水，电解产生H₂O₂

废水中有机污染物的存在对人类和生态系统的健康构成相当大的风险。虽然依靠高活性自由基来破坏有机污染物的高级氧化工艺是很有吸引力的处理选择，但大量的能源和化学投入限制了它们的实际应用。在此，斯坦福大学崔屹教授等人证明了石墨氮化碳（C₃N₄）中加入的铜单原子可以在pH 7.0时催化H₂O₂生成羟基自由基，且在过滤装置中表现出强大的稳定性。研究进一步设计了一个电解反应器，用于现场从空气、水和可再生能源产生H₂O₂。将单原子催化过滤器和H₂O₂电解发生器串联在一起，就形成了一个废水处理系统。这些发现为减少高级氧化过程的能源和化学需求，以及使其能够在偏远地区和偏远社区实施提供了一条有希望的途径。相关研究以“Organic wastewater treatment by a single-atom catalyst and electrolytically produced H₂O₂”为题目，发表在Nature Sustain.上。

DOI: 10.1038/s41893-020-00635-w

图5 污水处理系统示意图

Nature Commun.：蛋白质分子免疫锂金属负极以防止枝晶生长用于高能电池

由于锂枝晶的形成和生长，阻碍了金属锂阳极在高能密度锂电池中的实际应用。在这里，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授，Bing Sun教授，斯坦福大学崔屹教授，西班牙CIC Energigune能源合作研究中心的Michel Armand教授发现某种蛋白质可以有效地阻止和消除锂枝晶的生长，从而使金属锂阳极具有较长的循环寿命和较高的库仑效率。研究认为，蛋白质分子作为一种“自卫”剂，减轻锂胚胎的形成，从而模仿自然的，病态的免疫机制。当加入电解质后，蛋白质分子自动吸附在锂金属阳极表面，特别是在锂花蕾顶端，通过空间构象和二次结构转变，从从α-螺旋到β-Sheet的转变。这有效地改变了锂花蕾尖端周围的电场分布，使金属锂阳极镀层和剥离均匀。此外，还开发了一种缓慢的缓释策略，以克服蛋白质在醚基电解质中分散性有限的问题，显著提高了锂金属电池2000多次循环的性能。相关研究以“Immunizing lithium metal anodes against dendrite growth using protein molecules to achieve high energy batteries”为题目，发表在Nature Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-020-19246-2

图6 丝蛋白自卫机制示意图

Joule：利用Cu-Ag串联催化剂高速率催化CO₂电解为多碳产物

串联电催化通过多组分催化剂设计来解耦复杂的化学途径中的各个步骤。这种概念对二氧化碳电转换为多碳架(C₂₊)很有吸引力，特别是在高速率下。近日，美国加州大学伯克利分校的杨培东教授团队报道了一种在气体扩散电极（GDE）上的Cu-Ag串联催化剂来提高从CO₂产生C₂₊的速率。其原理：先在Ag催化剂上将CO₂还原为CO，随后在Cu上进行C-C偶联来合成C₂₊产物。对比在1 M KOH中的可逆氢电极（RHE），在-0.70 V时，添加Ag后，Cu表面上的C₂₊局部电流从37 mA/cm²增加到160 mA/cm²，且两种金属之间相互没有干扰。此外，在纯CO₂或CO气氛下，Cu-Ag串联催化剂中固有的C₂H₄和C₂H₅OH活性明显高于纯Cu。研究结果表明，由Ag生成的富含CO的局部环境除了作为CO₂或CO的供给，还可以增强Cu上C₂₊的形成，说明在三相串联环境中存在新的催化机理。相关研究以“Cu-Ag Tandem Catalysts for High-Rate CO₂ Electrolysis toward Multicarbons”为题，发表在Joule上。

DOI: 10.1016/j.joule.2020.07.009

图7 铜银串联结构设计与表征

Nano Letters：钙钛矿纳米线异质结构中的固态离子整流

卤化物钙钛矿由于其潜在的光电应用而引起了越来越多的研究关注。由于卤化物钙钛矿装置的活化能低，离子迁移在其长期稳定性和许多异常迁移行为中起着重要作用。然而，直接观察和精确控制卤化物钙钛矿晶体中的离子输运仍然具有挑战性。在这里，加州大学伯克利分校的杨培东教授团队设计了一种轴向CsPbBr₃ -CsPbCl₃纳米线异质结构，电场诱导的卤化物离子迁移可以清晰地可视化和量化。研究证明卤化物离子迁移是依赖于应用电场和展览在这个固态离子整流系统，这是由于纳米线中离子空位的不均匀分布，而离子空位的不均匀分布是由电极界面上的电屏蔽和它们的产生/破坏之间的竞争造成的。在以卤化物钙钛矿为基础的高级离子电路设计中，不对称异质结构特性增加了一个控制离子运动的额外旋钮。相关研究以“Solid-State Ionic Rectification in Perovskite Nanowire Heterostructures”为题目，发表在Nano Letters上。

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03204

图8 CsPbBr₃-CsPbCl₃异质结构纳米线中电场诱导卤化物离子迁移的示意图和表征

Nature Physics：通过电驱动叠加变换的贝里曲率记忆

在二维层状量子材料中，层的堆积顺序决定了晶体的对称性和电子性质，如贝里曲率、拓扑结构和电子相关性。电刺激可以影响准粒子相互作用和自由能环境，使动态修改叠加顺序和揭示具有不同量子性质的隐藏结构成为可能。在这里，香港大学校长张翔教授在加州大学伯克利分校的科研团队，和斯坦福大学Aaron M. Lindenberg教授的团队合作演示了可以应用于设计基于少层WTe₂中贝里曲率的非易失性存储器的电驱动堆叠转换。平面外电场和静电掺杂的相互作用控制了平面内层间的滑动，产生了多极性和中心对称的叠加顺序。原位非线性霍尔输运表明，这种叠加重排在动量空间中产生了层对选择性贝里曲率记忆，其中贝里曲率及其偶极子的符号反转只发生在奇层晶体中。研究发现为探索拓扑结构、电子相关性和铁电性之间隐藏叠加顺序的耦合开辟了一条道路，并在原子薄极限下证明了一种新的低能量成本、电子控制的拓扑存储器。相关研究以“Berry curvature memory through electrically driven stacking transitions”为题目，发表在Nature Physics上。

DOI: 10.1038/s41567-020-0947-0

图9 WTe₂中两种不同电驱动相变的特征

Nature Commun.：基于反厄米特超表面的亚波长像素化CMOS颜色传感器

对尺寸不断减小、性能不断提高的基本像素组件的需求是当前光电应用的核心，包括成像、传感、光电和通信。像素的大小，然而，严重限制的基本约束的光波衍射。目前使用透射滤光片和平面吸收层的发展可以缩小像素的尺寸，但当像素尺寸接近波长尺度时，还需要解决光学和电子串扰这两个主要问题。所有这些基本约束都阻止了像素尺寸的不断减小和性能的增强。在此，加州大学伯克利分校、香港大学张翔教授等人演示了一个基于反厄米特超表面CMOS兼容平台上的亚波长尺度颜色像素。与传统像素形成鲜明对比的是，光谱滤波采用的是结构色，而不是透射滤光片，同时具有较高的颜色纯度和量子效率。因此，这个超过28000像素的亚波长反厄米特超表面传感器，能够在100 nm的可见光波段对三种颜色进行排序，而不受正常入射光的偏振影响。此外，量子产率接近商业硅光电二极管，响应率超过0.25 a /W的每个通道。我们的演示为亚波长像素化CMOS传感器打开了一扇新的大门，并承诺未来高性能光电系统。相关研究以“Subwavelength pixelated CMOS color sensors based on anti-Hermitian metasurface”为题目，发表在Nature Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-020-17743-y

图10 三通道、二维、反厄米特PIN Si超表面的光学设计与仿真

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