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浙江大学刘昭明研究员ACS Nano | 无机离子寡聚体的可控聚合用于精细纳米结构的构建

英文原题：Controllable Polymerization of Inorganic Ionic Oligomers for Precise Nanostructural Construction in Materials通讯作者：刘昭明（浙江大学）作者：Yan He, Weifeng Fang, Ruikang Tang, Zhaoming Liu*在材料科学领域，精细纳米结构的构建是制备高性能材料的关键。从分子单元出发的自下而上合成，通常要比从纳米单元出发的合成能更精准的构筑纳米结构。有机及高分子化学以共价键为合成基础，已经发展了非常系统的反应方法，因而能从分子的定向设计出发自下而上精准合成纳米结构。然而，在传统无机化学中，无机离子化合物倾向于不可控的成核-生长过程，往往越过分子尺度的单元，直接形成相对稳定的纳米晶体或非晶单元（图1a）。因而目前无机离子化合物的纳米结构调控主要以结晶或无定形的纳米颗粒作为基本单元，通过控制其尺寸、形貌和组装方式实现操控，其纳米结构合成精度相比有机及高分子化合物有所不足。究其原因，有机及高分子化学基于共价键特有的性质已经发展了丰富的化学反应方法，从而能够构筑不同热力学、动力学稳态的分子、纳米结构（图1b, 1c），而依赖经典成核生长的无机离子化合物合成途径，其可调控要素则相对较少（图1d）。然而在生物矿化体系中，生物体通过有机分子及复杂的生物调控可以实现无机矿物前驱体的自由能能垒和生长动力学的调控，从而构建出相对于人工合成更为精细且复杂的纳米结构（图1e）。2019年，唐睿康、刘昭明团队发现了无机离子寡聚体（图1f），并以此为单元通过聚合反应可塑制备无机材料。无机离子寡聚体是一类处于稳态的分子尺度无机离子化合物，这意味着若能系统发展无机离子及其寡聚体间的成键反应方法，将有望像有机和高分子化合物一样，合成出不同热力学、动力学稳态的无机离子化合物分子、纳米结构（图1g）。图1. 无机、有机与高分子合成化学中的差异，以及无机离子寡聚体在纳米结构合成中的优势无机离子寡聚体的结构、合成、调控与材料制备在近年来的发展下，目前已经取得较为系统的进展。最近，浙江大学刘昭明研究员在ACS Nano 发表了题为“Controllable Polymerization of Inorganic Ionic Oligomers for Precise Nanostructural Construction in Materials”的观点文章。该文通过分析无机离子寡聚体的结构特征，从无机离子分子拓扑结构控制、官能团修饰以及无机离子聚合反应调控三个维度出发，讨论了无机离子寡聚体的可控聚合在精细纳米结构构筑中的特点（图2），相关特点在构建无机和有机-无机复合精细纳米结构方面具有优势，为力学增强、能源转换、环境保护、生物医学相关材料及一些传统认知外的新材料开发提供支持。图2. 无机离子寡聚体的可控聚合在分子、纳米尺度结构构建方面的进展尽管无机离子寡聚体的可控聚合得到了一定程度的发展，还有许多问题需要进一步探索。（1）当前研究主要集中于无机离子化合物的线性结构排列，而二维、三维拓扑结构的可控合成仍是难题。（2）如何实现无机离子寡聚体从纳米尺度到宏观尺度的长程定向聚合以构筑高性能材料仍然具有挑战。（3）需深入理解无机离子化合物及其复合材料的构效关系，以指导材料性能的提升。（4）能否实现所有无机离子化合物的寡聚体单元制备及其可控聚合，仍有待发展。基于这些挑战，作者认为通过拓展无机离子寡聚体的官能团化反应可以丰富分子单元的设计，从而发展更多策略调控无机离子寡聚体的聚合过程；结合计算模拟和实验，利用机器人自动化合成和机器学习辅助优化，可以加快无机离子寡聚体的聚合反应的探索；以无机离子化合物作为前驱体，通过化学反应实现从无机离子化合物到金属或金属氧化物的可控构筑，有望将无机离子聚合构筑的纳米结构赋予到更多材料中。该工作受到国家自然科学基金重点项目、面上项目的资助。通讯作者是浙江大学刘昭明研究员。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Controllable Polymerization of Inorganic Ionic Oligomers for Precise Nanostructural Construction in MaterialsYan He, Weifeng Fang, Ruikang Tang, Zhaoming Liu*ACS Nano 2025, 19, 7, 6648–6662https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18704 Published February 12, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-04-09

中国科学技术大学ACS Nano | 单细胞影像学可视化：金属离子如何“操控”细胞生死决策

英文原题：Near-Native Imaging of Metal Ion-Initiated Cell State Transition通讯作者：田扬超、田立娇（中国科学技术大学）作者：Li-Jiao Tian（田立娇）*, Yu-Tong Zheng（郑羽桐）, Zheng Dang（党政）, Shuai Xu（徐帅）, Sheng-Lan Gong（龚盛兰）, Yu-Ting Wang（王钰婷）, Yong Guan（关勇）, Zhao Wu（吴朝）, Gang Liu（刘刚）, Yang-Chao Tian（田扬超）*金属离子是生命活动不可或缺的“双刃剑”——微量时驱动酶促反应，过量时却引发毒性。细胞如何精准调控金属离子的吸收、储存与解毒？这一过程涉及复杂的细胞器动态协作，但其细节长期缺乏直观研究手段。中国科学技术大学田扬超研究员与田立娇副研究员课题组长期致力于依托同步辐射大科学设施，近天然的冷冻软X射线断层成像（Cryo-SXT，又名纳米CT），获知生物效应的单细胞3D影像学信息（ACS Nano 2023, 17, 9069-9081; ACS Nano 2024, 18, 2030-2046; ACS Nano 2025, 19, 5279-5294）。近日，该团队在国际著名期刊ACS Nano 发表研究论文，首次利用cryo-SXT，在生物近天然状态下捕捉到金属离子触发的细胞器重塑全景。传统显微技术需化学固定或染色，易破坏细胞天然状态。Cryo-SXT通过软X射线对快速冷冻的细胞进行三维断层扫描，分辨率达数十纳米，可无标记、无损伤地观察细胞器形态与相互作用。该技术不仅能定量分析线粒体、脂滴等结构变化，还能追踪重金属在细胞内的“命运”，例如直接观察到镉离子被转化为量子点的全过程。图1. 金属离子诱导的线粒体超微结构变化（粉色）研究团队系统解析了铁（Fe3+）、锰（Mn²⁺）、镉（Cd²⁺）、汞（Hg²⁺）四种金属离子对酵母细胞的差异化影响。铁与锰激活细胞增殖，此时线粒体向细胞两极聚集（图1B和C）、脂滴数量增加、脂滴体积收缩并形成中空结构、液泡形成新的囊泡结构。镉与汞触发细胞应激效应，出现线粒体碎片化（图1D和E）、细胞启动“自我清理”，液泡内形成自噬体（图2A）。镉离子被转化为硫化镉量子点（CdS QDs），并沉积于细胞质、液泡与线粒体（图2B-J）。Cryo-SXT定量分析显示，脂滴与线粒体（图3）、脂滴与核膜的接触频率随金属种类差异化响应。此外，细胞器结构变化比传统理化指标（存活率、线粒体膜电位、脂质过氧化）检测更敏感，有望成为新型生物标志物，用于环境毒理快速评估。图2. 镉触发了自噬体和量子点的形成图3. 脂滴（LDs）与线粒体之间的相互作用相关论文发表在ACS Nano 上，中国科学技术大学国家同步辐射实验室田扬超研究员是本文的共同通讯作者。田立娇副研究员为本论文的共同通讯作者和共同第一作者，博士研究生郑羽桐为本论文的共同第一作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Near-Native Imaging of Metal Ion-Initiated Cell State TransitionLi-Jiao Tian*, Yu-Tong Zheng, Zheng Dang, Shuai Xu, Sheng-Lan Gong, Yu-Ting Wang, Yong Guan, Zhao Wu, Gang Liu, Yang-Chao Tian*ACS Nano 2025, 19, 5, 5279–5294https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12101 Published January 28, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society通讯作者简介田扬超: 中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究员。田扬超研究员主要从事大科学装置建设和X射线成像方法及技术研究。近年来，完成了X射线成像光束线实验站等大型实验装置的建设，完成多项国家自然基金重点和面上项目、“863”项目和重大研发计划等研究课题。已在JACS，Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano，等国内外杂志共发表学术论文90余篇，获得国家发明专利30余项。田立娇：中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员。她长期致力于依托同步辐射大科学设施，探究生物效应的可视化和资源化研究。具体研究内容涵盖：借助纳米CT技术（Cryo-SXT），对重金属触发的生物效应，进行单细胞影像学分析（ACS Nano 2023, 17 (10), 9069-9081；ACS Nano 2024, 18 (3), 2030-2046；；ACS Nano 2025, 19 (5)，5279-5294等），为环境毒理学研究提供原位观测手段；基于重金属生物转化的全周期命运，重新编辑电子流和物质流，建立环境污染物到功能生物材料的可控转化新范式（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 35, 12149-12152；ACS Nano 2019, 13, 5, 5841-5851；Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 17, 10713-10721）；基于重金属生物转化，可控构筑活体材料，赋予非光合细菌利用太阳能；通过界面电子传递机制解析，实现活体材料的光能转化效率突破，为绿色生物制造提供新路径（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, (14), 6434-6441；Nat. Commun. 2024, 15, 2030）。（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-03-31

内蒙古大学JPCC | X射线吸收光谱（XAS）在电池应用中的研究进展

英文原题：Recent Advances in X-ray Absorption Spectroscopy for Battery Applications作者：Xiangyi Kong, Rui Ren, Houen Zhu, Ruirui Zhang, Yulan Gu, Jiachen Gao, Ting Ou, Yan Zhao*, Jiangwei Zhang*电池的优化是人类可持续发展面临的一项挑战。电池在减少轻型和重型运输、发电、固定储能和工业流程等不同领域的温室气体排放方面发挥了关键作用，从而减轻了环境污染。尽管取得了这些进步，但对电池运行过程的全面了解仍然遥遥无期。反应机制、副反应、离子传输和固体电解质相间层（SEI）的形成等关键方面仍未完全阐明。近年来，随着同步辐射技术的快速发展，X射线吸收光谱（XAS）凭借其元素特异性、高灵敏度和实时监测能力，在电池材料研究中展现出独特优势，为电池材料研究提供了重要的技术手段。本文系统综述了XAS在锂离子电池（Li-ion）、全固态电池（ASSBs）和锂硫电池（Li-S）中的关键应用，展示了其在解析电极材料氧化态演变、界面反应机制及动态过程监测中的重要作用。在锂离子电池领域，XAS被广泛应用于正极材料的电荷补偿机制研究。例如，Ogley等人通过Ni K-edge XANES和EXAFS分析了高镍层状氧化物（NMC811）在高电压下的氧氧化还原行为，发现氧配位空穴的形成主导了电荷补偿过程。此外，Hasna团队通过Fe和V K-edge XANES研究了磷酸盐正极材料（LFVP）的局部结构有序性，验证了铁掺杂对材料稳定性的提升作用。对于全固态电池，Luo等人利用原位S K-edge XANES揭示了硫化物电解质（LGPS）与镍基正极（NMC811）的界面分解机制，并证明了LiNbO3涂层可有效抑制Li2S的生成，提高界面稳定性。在锂硫电池中，Xu等人结合Co K-edge XAS与拉曼光谱，阐明了单原子钴催化剂（Co-SAs/NC）对硫物种转化的促进作用，揭示了Co-S键的动态演化对多硫化物穿梭效应的抑制机理。Zhang团队通过原位硫K-edge XAS实时追踪了多硫化物在电极-电解质界面的迁移路径，并开发了基于铋基催化层的改性隔膜，显著提升了电池循环寿命。XAS技术的核心优势在于其能够实时监测电池工作状态下材料的化学态和局部结构变化。例如，在锂离子电池中，XANES可精确追踪过渡金属元素的氧化态波动，而EXAFS则提供配位键长和原子排列信息（图1）。对于全固态电池，原位XAS技术揭示了固态电解质与电极间的动态界面反应（图2），为优化界面设计提供了理论依据。在锂硫电池中，XAS结合其他表征手段（如拉曼光谱）可解析硫物种的转化路径（图3），为抑制多硫化物穿梭效应提供了新思路。图1. (a) 非原位镍K吸收边XANES数据。(b) 空间域中傅里叶变换的χ(R) EXAFS数据。(c) 通过总荧光产额（TFY）和总电子产额模式测量的NMC811纽扣电池电极扣除背景并归一化的镍L3吸收边谱。(d) Ni-O6八面体结构的镍L3吸收边谱。(e) TFY模式和(f) TEY模式下采集的NMC811电极扣除背景、归一化的氧K吸收边谱。图2. (a) 电池结构示意图及宽光子能量区域内获取的布鲁克谱。基于(b-d) 原始NMC811-LGPS和(e-g) LNO改性NMC811-LGPS固态锂离子电池的原位硫K吸收边谱（含一阶导数映射）、镍K吸收边谱及充放电曲线对比。(h, j) 原始NMC材料的锰、钴K吸收边谱；(i, k) LNO-NMC811材料的锰、钴K吸收边谱。图3. (a) 原位纽扣电池结构示意图。(b) 标准硫K吸收边XANES谱。(c) 整个恒电流循环过程中硫K吸收边XANES谱的演变。(d) 循环周期中选取特征点的XANES谱，并标注相应电压值。(e) 0.1C倍率下测量的应力分布曲线；(f) 循环中B峰强度（2470.9eV，对应多硫化锂）的相应变化。a.u.表示任意单位。(g) 归一化钴K吸收边XANES谱。(h) Co-SAs/NC材料与钴参比样的k³加权傅里叶变换EXAFS谱对比。(i) Co-SAs/NC材料在R空间中钴K吸收边k³加权FT-EXAFS拟合曲线。Co-SAs/NC在锂硫电池中不同电化学状态下(j)放电和(k)充电过程的原位归一化钴K吸收边XANES谱。(l) 前吸收边能量（如(j)(k)插图中所示）随充放电状态变化的演化趋势。Co-SAs/NC在锂硫电池中不同电化学状态下(m)放电和(n)充电过程的原位k³加权FT-EXAFS谱。(o) 单原子钴位点与多硫化物分子（Li2S4）中硫原子间Co-S配位键的示意图（蓝色：锂，黄色：硫，灰色：碳，绿色：氮，红色：钴）。尽管XAS在电池研究中已取得显著进展，但仍面临诸多挑战。例如，快速动态过程的实时捕获、复杂体系的信号解析以及与其他表征技术的协同应用仍需进一步探索。未来，通过提升XAS的时间分辨率和空间分辨率，并结合同步辐射显微术（如STXM）和电化学阻抗谱（EIS），有望更全面地揭示电池材料的动态行为。总之，XAS作为电池材料研究的核心工具，为理解电化学反应机制、优化材料性能及界面工程提供了关键支撑。随着技术的持续进步，XAS将在下一代高性能电池的研发中发挥更重要的作用。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Recent Advances in X-ray Absorption Spectroscopy for Battery ApplicationsXiangyi Kong, Rui Ren, Houen Zhu, Ruirui Zhang, Yulan Gu, Jiachen Gao, Ting Ou, Yan Zhao*, Jiangwei Zhang*J. Phys. Chem. C 2025, 129, 8, 3993–4009https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c08230 Published February 13, 2025© 2025 American Chemical Society研究团队简介张江威，内蒙古大学能源材料化学研究院教授，清华大学博士，入选内蒙古自治区“草原英才”工程高层次人才；“英才兴蒙”工程人才；高层次人才“骏马计划”，全球前2%顶尖科学家；独立PI，博士生导师，中国化学会高级会员，CCDC CSD Champions，Interdisciplinary Materials 编委，Research; Nano Research; Nexus青年编委。围绕“先进表征技术与能源催化材料设计、制备学科交叉,能源催化过程反应机制可视化”，主要从事物质结构演变精准探测通用方法学与仪器开发。在Nat. Catal.; Nat. Sustain.; Nat. Synth.; Nat. energy; JACS; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; Nat. Commun.等期刊发表论文198篇，H-index=52，主持国家自然科学基金，科技“突围”工程氢能领域“揭榜挂帅”项目子课题负责人。获得中国材料研究学会科学技术奖青年科技奖。https://emc.imu.edu.cn/szdw/zjw.htm 内蒙古大学能源材料化学研究院张江威课题组招收优秀博士后 可以通过邮件投递简历联系zjw11@tsinghua.org.cn; jwz@imu.edu.cn相关待遇详细见内蒙古大学2024年度博士后招聘启事https://rsc.imu.edu.cn/bshgz/zpqs.htm （本稿件来自ACS Publications）
来源： The Journal of Physical Chemistry C 2025-03-28

北京大学张艳锋教授团队及合作者ACS Nano | 低成本制备英寸级Au(111)单晶用于二维层状材料的外延生长

英文原题：Low-Cost Preparation of Wafer-Scale Au(111) Single Crystals for the Epitaxy of Two-Dimensional Layered Materials通讯作者：张艳锋（北京大学），刘忠范（北京大学），张磊宁（北京理工大学）作者：Jingyi Hu (胡静怡), Jialong Wang (王嘉龙), Pengfei Yang (杨鹏飞), Wenzhi Quan (全文智), Xuan Wang (王璇), Haoxuan Ding (丁皓璇), Jiatian Fu (付加田), You Peng (彭友), Ronghua Zhang (张荣花), Honggang Wang (王洪刚), Liming Xie (谢黎明), Ke He (何珂), Lili Wang (王立莉), Wei Wei (魏伟), Leining Zhang* (张磊宁), Zhongfan Liu* (刘忠范) & Yanfeng Zhang* (张艳锋)Au(111) 因具有原子级平整的六方密排表面、良好的导电性、化学惰性和特有的鱼骨状表面重构，常用作超高真空环境下分子自组装的模型衬底，近年来也成为制备二维过渡金属硫属化合物（TMDCs）单晶的理想外延衬底。然而，现有的Au(111) 单晶通常采用熔体生长法或薄膜外延法获得，存在制备成本昂贵、工艺流程复杂、所制备的单晶尺寸受限（厘米级）等问题，限制了Au(111) 单晶的应用场景（例如大面积均匀单层MoS2单晶的可控制备和机制研究中需要大尺寸的单晶Au衬底等），因此亟待发展大尺寸Au(111) 单晶的低成本制备方法。近日，北京大学张艳锋教授与刘忠范院士联合北京理工大学张磊宁教授以市售的Au多晶箔材为原材料，选择具有低热失配的蓝宝石作为支撑衬板（有效抑制界面应力的引入），经过长时间退火处理首先获得了Au(100) 强织构的多晶箔材，进而通过施加单点应力以及在Ar/H2气氛下的热退火处理诱导了单个Au(111) 异常晶粒的生成以及应力驱动的异常晶粒的持续长大，成功实现了大尺寸Au(111) 单晶的低成本、高重复性和高品质制备。理论模拟表明，应力/应变和Ar/H2气氛下的高温退火处理能够显著降低Au(100) 体系的空位形成能，增加体系的缺陷浓度，诱导形成无序的过渡态；在表面能最小化驱动下，Au(100) 多晶经由无序态转变为Au(111) 单晶。图1. 应变驱动异常晶粒长大制备四英寸Au(111)单晶值得注意的是，所制备的Au(111) 单晶箔材具有很高的表面平整性、高晶体质量以及分米级的单晶尺寸。利用扫描隧道显微镜（STM）技术可以在原子尺度观测到Au(111) 单晶特有的大周期鱼骨状重构，该类重构是分子组装的理想衬底，也是STM表征技术里常用的衬底材料，因此在表面物理化学领域具有很好的应用前景。同时大尺寸的Au(111) 单晶箔材具有优异的化学惰性、高的结晶质量、大面积均一的台阶状重构，在二维层状材料及其异质结构外延生长机制研究方面可发挥重要作用。鉴于其极低的制备成本，相同尺寸下仅为市售单晶的1/10左右，且其单晶尺寸大大超越传统单晶的尺寸（厘米量级），未来在低维材料的制备研究方面也具有极大的应用潜力。图2. 施加局部应力和退火处理诱导强(100)织构多晶Au箔中形成Au(111)晶粒Au(111) 晶粒在早期退火阶段（6小时内）表现出较大的生长速率，在后续退火过程中（长达9小时）Au(111) 的生长速率逐渐放缓直至生长停滞，这种异常晶粒长大和晶界的迁移行为偏离了传统的晶界迁移理论（即晶界迁移速度与晶界的平均曲率成正比）。而在停滞的晶界附近引入额外的应力，再经Ar/H2气氛下1010 ℃退火1 h可成功实现晶界迁移的激活，实现大面积Au(111) 单晶的制备。研究团队从理论层面探索了应力促进Au(111) 晶粒形成和异常长大的机制。结果表明：从降低体系总能量的角度考虑，具有初始应力的Au(100) 多晶有向Au(111) 单晶转变的趋势；从缺陷形成的角度考虑，应力会降低Au(100) 的空位形成能，Ar/H2气氛下的高温退火有助于空位的形成与迁移，导致体系内缺陷密度的升高；在表面能最小化驱动下，亚稳态的Au(100) 多晶经由无序态转变为能量最低的Au(111) 单晶；在后续Au(111) 的异常晶粒长大过程中，无序的晶界不断向Au(100) 迁移，即Au(100) 仍然经由无序结构转变为Au(111)；最终Au(111) 晶粒尺寸不断增大，形成大面积Au(111) 单晶。图3. Au(111) 单晶箔材作为外延衬底用于制备二维层状材料及其异质结构该方法制备得到的大面积Au(111)单晶箔材可作为外延生长二维层状材料的优选基底，实现多种二维材料及其异质结构（如单一取向单层MoS2和MoSe2、高定向单层MoS2/石墨烯异质结）的高质量外延生长，并有助于探索其内在外延机制。总结/展望总之，该工作发展了一种低成本制备大面积Au(111) 单晶的有效方法，揭示了单点应力的引入对异常晶粒形成和生长的关键作用，相关结果将显著推动Au(111) 单晶在材料科学、电子学和催化等领域的应用，为异常晶粒长大法制备大尺寸金属单晶提供了理论和实验指导。相关论文发表在期刊ACS Nano 上，北京大学博士研究生胡静怡为文章第一作者，北京大学张艳锋教授、刘忠范院士和北京理工大学张磊宁教授为共同通讯作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Low-Cost Preparation of Wafer-Scale Au(111) Single Crystals for the Epitaxy of Two-Dimensional Layered MaterialsJingyi Hu, Jialong Wang, Pengfei Yang, Wenzhi Quan, Xuan Wang, Haoxuan Ding, Jiatian Fu, You Peng, Ronghua Zhang, Honggang Wang, Liming Xie, Ke He, Lili Wang, Wei Wei, Leining Zhang*, Zhongfan Liu*, Yanfeng Zhang*ACS Nano 2025, 19, 4, 4973–4982https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17431 Published January 24, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society【通讯作者信息】张艳锋，北京大学博雅特聘教授，博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。长期致力于二维层状材料的可控制备、精密表征、量子效应以及其诱导的新奇物理化学特性的研究，主要面向世界科技前沿和国家重大需求，聚焦半导体工业中延续摩尔定律的重要候选材料的可控制备和新奇物理化学特性和应用展开。在Science, Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc.等杂志共发表学术论文260余篇，引用20000余次。（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-03-24

北京大学Nano Lett. | 阴离子受体用于调控多硫化锂团簇结构实现低温锂硫电池

英文原题：Regulating Polysulfide Clustering with an Anion Acceptor for Low-Temperature Sulfur Batteries通讯作者：庞全全（北京大学）作者：Mengxue He, Yun An, Lujun Zhu, Yatao Liu, Yongfeng Jia, Yizhou Hao, Guo Ye, Xufeng Hong, Zhitong Xiao, Yue Ma, Huimin Song, Kaier Shen, Yingjing Yan, Weize Shi, Chenxi Zheng, Jianhao Chen, Muhammad Burhan Shafqat, Quanquan Pang*锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（~2600 Wh kg−1）和硫的低成本、高丰度等优势，被认为是下一代高能量密度储能系统的有力候选者，尤其在便携式电子设备和低成本储能领域具有广泛的应用前景。然而，尽管锂硫电池在理论上具有显著的优势，其实际应用仍面临诸多挑战，特别是在贫电解液和低温条件下的性能表现不佳。硫电极在贫电解液条件下反应动力学迟滞，导致其容量释放受限，难以实现高能量密度。这一问题的根本原因在于贫电解液条件下，中间产物多硫化锂（LiPSs）的溶剂化不足，且在高浓度条件下易通过Li⁺的桥接作用形成聚集簇，极大地阻碍了溶液介导的电化学反应，从而导致活性物质利用率低下。此外，这种动力学缺陷在低温条件下尤为显著，进一步限制了锂硫电池的实际应用范围。基于LiPSs的路易斯碱特性，北京大学的庞全全（点击查看介绍）团队提出了一种通过引入路易斯酸性阴离子受体来调控LiPSs聚集簇的策略。具体而言，在电解液中引入了三（五氟苯基）硼（TPFPB）作为阴离子受体。通过理论计算和谱学分析（如紫外-可见光谱和核磁共振谱），研究团队证实了TPFPB分子中的缺电子中心硼原子能够与LiPSs中的富电子中心硫原子发生软路易斯酸碱相互作用，从而有效破坏LiPSs的聚集结构。另外，TPFPB的引入进一步促进了硫化锂（Li2S）的部分溶剂化，促进Li2S的沉积模式转变为三维岛状结构，这种结构不仅增加了电极的活性表面积，还显著提高了硫的利用率。图1. Li2S在不同电解质中的成核动力学及沉积形态。（a, b, d, e）在（a, d）空白（b, e）和TPFPB基电解质中，在（a, b）25°C和（c, d）−25°C下，Li2S成核生长的时间电流曲线。插图：沉积Li2S的SEM图像（比例尺，3 μm）。（c, f）Li2S在不同温度下的理论成核和生长模型与I/Im - T/Tm曲线的峰值拟合。（g）空白（h）和TPFPB电解质在恶劣条件下Li2S沉积机理示意图，重点讨论了S2−溶剂化对Li2S沉积行为的影响。在电解液用量为4 μL mg−1的条件下，TPFPB电解液有效促进了硫化锂的持续沉积，从而提升硫电极的放电容量，并在100次循环过程中维持82.5%的容量保持率。另外低温条件下，TPFPB的引入显著改善了锂硫电池的放电容量。在−25°C的低温条件下，使用TPFPB电解液的锂硫电池表现出高达1000 mAh g−1的放电容量，而传统电解液的电池容量仅为260 mAh g−1。这一显著的性能提升归因于TPFPB对多硫化物聚集簇的有效抑制，以及其对Li2S沉积行为的调控。图2. 低温条件下Li-S电池的电化学性能。（a）不同电解液中Li-S电池在−25°C下的GITT测试曲线。（b）由GITT计算的Li⁺离子的准扩散系数。（c）−25℃条件下电池在0.1C下的电压分布图和（d）容量保持情况。（e）使用TPFPB电解质的Li-S电池在高的充放电倍率下的电压分布图。（f）Li-S软包电池参数。（g）0.05 C和0°C时软包电池的电压分布图和（h）循环性能。综上，本文通过引入TPFPB阴离子受体，成功调控了锂硫电池中多硫化物的聚集行为，显著提升了电池在贫电解液和低温条件下的性能。该策略不仅改善了多硫化物的溶解和反应动力学，还促进了Li2S的三维生长，有效提高了硫的利用率。实验证明，该策略在Ah级软包电池中也表现出优异的循环稳定性，为锂硫电池在极端条件下的应用提供了新的思路。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Regulating Polysulfide Clustering with An Anion Acceptor for Low-Temperature Sulfur BatteriesMengxue He, Yun An, Lujun Zhu, Yatao Liu, Yongfeng Jia, Yizhou Hao, Guo Ye, Xufeng Hong, Zhitong Xiao, Yue Ma, Huimin Song, Kaier Shen, Yingjing Yan, Weize Shi, Chenxi Zheng, Jianhao Chen, Muhammad Burhan Shafqat, Quanquan Pang*Nano Lett. 2025, 25, 8, 3029–3037https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04519 Published February 12, 2025© 2025 American Chemical Society通讯作者简介庞全全教授，北京大学材料科学与工程学院特聘研究员，博士生导师。2020、2021、2023年科睿唯安交叉学科高被引科学家，2022年、2023年“斯坦福大学”全球2%顶尖科学家。获高层次人才计划青年项目，十四五重点研发计划“新能源汽车”重点专项青年首席科学家，主持国家“十三五”重点研发计划“政府间合作”重点专项目、基金委重大研究计划培育项目等。以第一/通讯作者在Nature、Nat. Energy、Joule、JACS、PNAS、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等杂志发表多篇论文，多篇入选ESI热点论文和高被引论文。担任EcoMat、Rare Metal、Energy Materials Advance、Carbon Energy等杂志青年编委“十四五”科技部重点研发计划“新能源汽车”重点专项青年科学家。团队（pang-eetl-pku.com）招收新电池体系方向（液流电池、固态电池、电解液、熔融盐、水系电池）博士后，（请联系qqpang@pku.edu.cn）。https://www.x-mol.com/university/faculty/219452 第一作者简介何孟雪，北京大学博雅博士后，在锂硫电池正极材料，锂硫电池电解液，电极制备，钠离子电池电解液的设计与构筑等领域具有深厚的研究基础，具有丰富的电极材料和电解液制备及表征经验，以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、ACS Appl. Mater. Inter.、Chem. Eng. J、 Chem. Commun.、Electrochim. Acta等国际期刊发表SCI论文10篇。（本稿件来自ACS Publications）
来源： Nano Letters 2025-03-21

苏州大学迟力峰院士等ACS Nano | 单分子尺度下碳-碳三键与双键的导电性差异揭示

英文原题：Identifying Carbon–Carbon Triple Bonds from Double Bonds via Single-Molecule Conductance通讯作者：迟力峰（苏州大学），杜世萱（中国科学院物理研究所）作者：Sifan You, Yixuan Gao, Yanning Tang, Chaojie Xu, Jing He, Xuechao Li, Haiming Zhang, Shixuan Du*, Lifeng Chi*在纳米科技与分子电子学的前沿领域，科学家们一直在探索如何利用单个分子来实现高效的电荷传输，从而推动下一代电子器件的发展。近日，一项由迟力峰院士等人发表在ACS Nano 上的突破性研究，首次在单分子尺度上揭示了碳-碳三键与双键在导电性上的显著差异。研究背景：分子电子学的关键挑战分子电子学的核心目标是通过单个分子来实现电荷传输，从而构建纳米级的电子电路。在这一领域中，共轭聚合物因其可调节的导电性而备受关注。碳-碳双键和三键是共轭聚合物中最常见的键序，尽管它们在电子特性上相似，但它们在电荷传输能力上的差异一直未被明确揭示，理解这些差异对于设计高效的分子导线和纳米级电路至关重要。创新方法：表面合成与单分子电导测量在这项研究中，研究团队利用在位合成技术，在Au(111)表面上成功合成了含有不同键序（单键、双键和三键）的寡聚物。通过精确控制退火温度，研究团队实现了从单键到双键再到三键的逐步转变及高分辨成像表征，并首次在单分子尺度上测量了这些聚合物的电导率。图1. 在位反应过程。(a) DBA现场反应生成具有连接基团的寡聚物的过程不同的键序标记为1（聚（1,8-蒽基乙烯）），2（聚（1,8-蒽基乙烯））和3(聚（1,8-蒽基乙烯）乙炔))。（b−d） Au（111）表面1、2和3的寡聚物对应的大尺度和放大STM图像。插图中的箭头标记了寡聚物的单胞周期：1为1.26 nm，2为1.22 nm，3为1.14 nm。比例尺为10 nm。放大图为5 × 5 nm。重要发现：三键连接的聚合物导电性更优研究结果显示，尽管Au(111)表面上双键和三键连接的寡聚物在前线轨道的能量位置和空间分布上相似，但三键连接的聚合物在单分子电导测量中表现出显著更高的导电性和更低的衰减系数。具体来说，三键连接聚合物的衰减常数（7 nm⁻¹）远低于双键连接聚合物（9.5 nm⁻¹），表明三键连接的聚合物在电荷传输过程中更为高效。图2. 2和3寡聚物的单分子电导测量。(a) 基于往复运动的负偏压下寡聚物2和3的可重复电导曲线。箭头指出的跳跃位置与提拉起半个单胞（一个蒽基团）有关。在相同尖端高度下，寡聚物3的电导值高于寡聚物2的电导值。(b) 在多个偏置电压下，不同寡聚物（浅红色和浅蓝色）2和3的衰减系数，及其平均值（红色和蓝色）。结果清楚地表明，与2的寡聚物相比，3的寡聚物具有较低的衰变常数。这一发现得到了密度泛函理论（DFT）计算的支持。计算结果表明，三键连接的聚合物具有稍低的LUMO能级和费米面附近更高的电子密度，这有助于提高电荷传输效率。此外，三键轨道的对称性和更高的键能使其在分子弯曲时仍能保持较高的结构稳定性，从而在单分子电导测量中表现出更好的性能。图3. 2和3结构寡聚物中电荷输运过程的计算。(a) 2（红点）和3（蓝点）的不同长度寡聚物的电导计算。插图是5个蒽基团的2寡聚物的输运模型如图所示。计算发现寡聚物3的电导值较高，衰减常数较低。(b)由5个蒽基团组成的2和3的寡聚物的输运模型对应的透射谱，LUMO位置用箭头标记。与2的寡聚物相比，3的寡聚物LUMO位置更接近费米能级，并且在费米面附近透射率高数个量级。(c)由5个蒽基团组成的2（红色和浅红色）和3（蓝色和浅蓝色）的直线寡聚物和弯曲寡聚物的态密度分布。插图是3的直线寡聚物和弯曲寡聚物对的示意图。2和3的寡聚物中LUMO位置的明显移位用浅红色箭头和浅蓝色箭头表示。在三键中，更高的键强和更对称的键导致更高的结构刚度维持住了3的寡聚物在弯曲下的LUMO位置，从而在单分子电导测量中获得更高的电导和更低的衰减常数。未来应用：推动纳米级电子器件的发展这项研究不仅深化了我们对共轭聚合物中键序作用的理解，还为未来纳米级电子器件的设计提供了新的思路。通过利用三键连接聚合物的高效电荷传输特性，科学家们可以设计出更小、更快、更节能的电子器件，推动分子电子学领域的进一步发展。结语这项突破性研究标志着我们在单分子尺度上理解和控制电荷传输的能力迈出了重要一步。随着分子电子学技术的不断进步，未来我们将有望看到更多基于单分子的高效电子器件，为纳米科技和信息技术带来革命性的变革。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Identifying Carbon–Carbon Triple Bonds from Double Bonds via Single-Molecule ConductanceSifan You, Yixuan Gao, Yanning Tang, Chaojie Xu, Jing He, Xuechao Li, Haiming Zhang, Shixuan Du*, Lifeng Chi*ACS Nano 2025, 19, 4, 4622–4628https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14871 Published January 19, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-03-19

Nano Lett. | 香港城市大学雷党愿：等离激元纳腔增强扭角范德华异质结中动量禁戒层间激子的室温发光

英文原题：Room-Temperature, Strong Emission of Momentum-Forbidden Interlayer Excitons in Nanocavity-Coupled Twisted van der Waals Heterostructures通讯作者：雷党愿，香港城市大学作者：Bin Feng (冯斌), Shixuan Zhao (赵世轩), Ilya Razdolski, Feihong Liu (刘飞鸿), Zhiwei Peng (彭志威), Yaorong Wang (王耀荣), Zhedong Zhang (张哲东), Zhenhua Ni (倪振华), Jianbin Xu (许建斌), Dangyuan Lei (雷党愿)背景介绍由二维过渡金属二硫化物（TMD）构成的范德华异质结是凝聚态物理和纳米技术领域的前沿研究体系。TMD异质结具有Ⅱ型能带排列特征，即导带底和价带顶由不同层提供，从而形成具有独特性质的层间激子。相比于单层TMD材料中的层内激子，层间激子具有更长的寿命和面外电偶极矩等特点，为探索新型量子现象提供了广阔的舞台。受“魔角”石墨烯中非常规超导性和莫特绝缘态的启发，近年来扭角 TMD 异质结也引起了广泛关注。通过调节扭转角度，可灵活调控TMD异质结中层间激子的光电特性，为开发超紧凑片上单光子发射器和手性光源等激子器件带来了希望。然而研究表明，TMD异质结中层间激子的动量失配随扭转角度的增大而增大，导致层间激子的发射效率显著降低，目前仅能在小扭角异质结中实现层间激子的有效荧光发射（堆叠角度<10°）。由于TMD 单层材料在动量空间中具有三重旋转对称性，当扭转角度达到30°时，上下两层TMD材料的能谷在动量空间中的失配达到最大，使得激子复合难以发生，导致层间激子发光强度变得极弱，故该类激子属于动量禁戒暗激子（momentum-forbidden dark excitons）。近年来，如何增强禁戒暗激子的荧光发射成为一个有趣的研究课题。尽管等离激元纳腔在诱导自旋禁戒型暗激子发射方面已取得一定进展（Nano Lett. 2022, 22(5), 1915-1921），但对于动量禁戒型层间激子发射的有效增强仍罕有报道。文章亮点近日，香港城市大学雷党愿团队通过将二维TMD扭角范德华异质结与等离激元纳腔耦合，在室温下实现了具有大动量失配的层间激子的强荧光发射。如图1所示，金纳米立方体和金膜共同构成一个紧凑的等离激元纳腔（NCoM），将具有约30°扭角的WS₂/MoS₂ 异质结集成在金纳米立方体和金膜之间的间隙中，这样的耦合结构显著增强了具有大动量失配的层间激子的荧光发射，光致发光增强因子达2个数量级。图1. 在等离激元纳腔耦合的TMD 30°扭角异质结中，具有大动量失配的层间激子荧光发射得到显著增强。如图2所示，作者进一步研究了TMD异质结与NCoM型等离激元纳腔的近场耦合效应和远场辐射特征。通过精心设计等离激元纳腔的几何结构（纳米立方体的尺寸和间隙距离等），以达到层间激子的发射峰和NCoM纳腔的磁偶极子模式（MD mode）峰位在能谱上的高度重叠。通过计算辐射速率得知，在腔内的层间激子的辐射速率得到显著加强。实验也观察到了异质结与纳腔的耦合显著缩短了层间激子的荧光寿命。上述理论计算与实验结果表明，层间激子荧光发射的增强主要来源于层间激子与纳腔耦合带来的Purcell效应。图2. 等离激元纳腔的腔模式分析以及层间激子荧光寿命测量表明层间激子荧光发射的增强主要来源于纳腔的Purcell效应。如图3所示，温度依赖的荧光光谱分析揭示了在近0°和近30°扭角异质结中的层间激子和层内激子荧光发射的竞争行为具有明显区别。当温度从室温增加至393 K，近0°扭角异质结中层间激子和层内激子的荧光强度之比IIE/IMOS2持续下降，而近30°扭角异质结中该比例先增加后降低。时间分辨的层间激子荧光寿命测试表明，近30°扭角异质结中层间激子的辐射速率随温度增加而增加的效应更明显。上述实验现象表明，相比于近0°的情形，升温对近 30° 扭角异质结中层间激子发射效率的提升更为显著。这是因为具有动量失配的激子在跃迁过程中需要声子参与以弥补跃迁所需的额外动量；温度越高，通过声子发生动量补偿的概率就越大。基于上述分析，作者建立了综合考虑声子辅助动量补偿效应和纳腔Purcell效应的激子衰减模型，较好地描述了实验结果。图3. 温度依赖和时间分辨的激子荧光发射分析揭示了在近0°和近30°扭角范德华异质结中层间激子和层内激子荧光发射竞争行为的区别，进而构建了综合考虑声子辅助动量补偿效应和纳腔Purcell效应的激子衰减模型，与实验结果吻合较好。总结/展望本工作提供了一种通过结合Purcell效应与声子辅助效应使动量禁戒暗激子发光得到显著增强的思路，并提供了相应的理论模型描述这一机制。上述机制在TMD以外的其它动量禁戒暗激子的体系中依然适用。该研究加深了对等离激元纳腔与动量禁戒激子耦合效应的理解，并有助于推动基于扭角异质结及类似体系的新型光电器件研发。相关论文发表在期刊Nano Letters上，香港城市大学博士后冯斌为文章第一作者（负责实验工作），博士生赵世轩建立了同时考虑声子辅助动量补偿和等离激元纳腔Purcell效应的激子衰减模型，雷党愿教授为通讯作者。该研究获得了香港研究资助局的基金资助。通讯作者信息：雷党愿 教授香港城市大学材料科学及工程学系教授、功能光子学研究中心副主任，伦敦帝国理工学院博士、教务长物理学访问教授，国家自然科学基金委“优秀青年科学基金（港澳）”获得者，香港青年科学院院士，主要从事微纳光腔耦合的低维量子光学材料的极化激元物理研究，包括非线性光学现象、激子超快动力学和量子光学现象，共发表学术论文250余篇，h-index为69，总引用近14800多次。他是美国光学学会高级会员，国际光电工程学会和英国物理学会会员；担任Light: Science & Applications香港办公室负责人和中国激光杂志社香港分社副社长、Nanophotonics副主编和Advanced Photonics Nexus编辑。研究组主页：http://staffweb1.cityu.edu.hk/dangylei/index.html 扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文Nano Lett. 2025, 25, 4, 1609-1616Publication Date: January 8, 2025https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05647 Copyright © 2025 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefTeri W. OdomNorthwestern UniversityNano Letters 旨在快速发布纳米科学和纳米技术领域基础研究、应用和新型研究成果。符合Nano Letters收录范围的文章应至少有两个不同领域或学科的融合。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision9.616.829.1
来源： Nano Letters 2025-03-16

国家纳米科学中心刘新风研究员团队Nano Lett. | 双层WS₂堆叠角度依赖的激子迁移率研究

英文原题：Twist Angle-Dependent Exciton Mobility in WS2 Bilayers通讯作者：刘新风（国家纳米科学中心），潘安练（湖南大学），岳帅（国家纳米科学中心），陈舒拉（湖南大学）作者：Yangguang Zhong（钟阳光），Jieyuan Liang（梁洁园）, Long Yuan（袁龙），Yuexing Xia（夏月星）, Yubo Tian （田宇博），Yuanyuan Zheng（郑缘圆）Yuyang Zhang（张宇阳），Wenna Du（杜文娜）, Dong Li（李东）二维过渡金属硫化物（TMDs）由于其原子级厚度、合适的带隙以及显著的载流子迁移率，被认为是开发下一代微电子和光电子设备的理想材料。然而，单层TMDs的本征特性，如较低的态密度和量子限制效应，限制了其在高性能器件中的应用。为此，科研人员探索了多种提升迁移率的策略，包括高质量薄膜的外延生长、化学掺杂以及介电调控等。相比之下，双层TMDs在态密度和材料稳定性方面表现出显著优势，然而，其迁移率提升的确切机制仍需进一步阐明。此外，TMDs的电子性质高度依赖于层间堆叠模式，其中层间耦合和莫尔势对材料性能起到关键作用。研究发现，不同的堆叠角度（如3R相的0°和2H相的60°）会对材料迁移率产生显著影响，但莫尔势与层间耦合在调控双层TMDs迁移率方面的同时作用机制尚未完全明确。现有的研究虽已分别揭示了莫尔势和层间耦合对激子迁移的独立影响，但它们的相互作用以及对实际器件性能的综合调制机制仍需深入探究。近日，国家纳米科学中心刘新风研究员团队联合湖南大学潘安练教授团队在Nano Letters 期刊上发表了关于双层WS2中堆叠角度依赖的激子迁移率的最新研究成果。该研究提出了一种削弱衬底效应、增强激子扩散的转角堆叠双层WS2体系。研究团队通过稳态光学技术（荧光、拉曼与吸收光谱等）系统表征了层间耦合的强度及其对材料性能的影响，发现强层间耦合显著增强了激子的去局域化和扩散传输。同时，基于瞬态反射成像（TRM）技术，研究团队首次系统性地揭示了堆叠角度对激子迁移率和扩散长度的调控作用，实验结果显示，在0°堆叠时，迁移率和扩散长度分别达到最大值87.3 cm2/V s和~1.06 μm。为进一步阐明莫尔势对激子迁移率的调控机制，研究团队还利用热激活模型对莫尔势阱进行了系统拟合，得到平均莫尔势深为16.7 meV，揭示了莫尔势对激子迁移率的控制作用。最后，通过对瞬态反射光谱（TRS）的深入分析，研究团队阐明了堆叠角度通过调制层间耦合强度和莫尔势深度，协同界面衬底作用，最终调控激子的动力学和扩散行为。该研究为理解二维材料中激子动力学的调控机制提供了重要理论支持，同时也为设计高性能二维光电设备提供了关键实验依据和优化思路。图1. 层间堆叠角度调控影响双层WS2的光学和电子特性。层间堆叠调控双层WS2激子行为通过光学表征和原子力显微镜（AFM）成像证实了高质量双层WS2材料的成功制备，并展示了不同扭转角度下的样品。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像则提供了原子尺度的结构信息，揭示了不同堆叠角度下的原子排列和莫尔条纹。差反射光谱分析显示，不同扭转角度的样品在激子吸收峰的位置上存在差异，表明层间耦合和莫尔势对激子行为的调控作用。图2. 双层WS2堆叠角度调控激子迁移率。揭示激子扩散与堆叠角度的关系使用瞬态反射成像技术研究了堆叠角度对双层二硫化钨（WS2）中激子迁移率的影响。实验通过瞬态反射显微镜（TRM）技术，测量了不同堆叠角度（0°、25°、60°）下的激子扩散情况。结果显示，0°堆叠的双层WS2具有最高的激子迁移率，显著高于单层WS2。研究人员通过数据拟合和爱因斯坦关系，精确计算了各角度下的迁移率。双层材料的高迁移率主要归因于更强的层间耦合、减少的基底无序，以及层间激子的偶极相互作用。图3. 莫尔势对双层WS2激子动力学与扩散的影响。揭示莫尔势对WS2激子扩散的影响通过功率依赖的瞬态反射显微镜（TRM）测量，发现0°堆叠的WS2在整个功率范围内保持高且稳定的迁移率，而25°堆叠的迁移率随功率增加而上升。这表明25°堆叠中，激子可能因较弱的莫尔势而部分局域化，高功率下势阱的填充促进了激子扩散，利用热激活模型估算了莫尔势阱的深度，计算得出平均深度为16.7 meV，与文献报道相符。25°堆叠样品在不同功率下的瞬态反射光谱显示，激发功率能调节反射信号和激子密度。通过双指数模型拟合激子动力学，发现第一快速过程的寿命随扭转角度变化不大，可能与缺陷辅助复合或俄歇复合有关。这些结果强调了层间相互作用和莫尔势对激子复合速率的影响，揭示了莫尔势在激子局域化和传输中的关键作用。图4. 层间耦合对双层WS2激子动力学的影响。层间耦合调控激子动力学通过瞬态反射光谱探究了单层及不同堆叠角度（0°、25°、60°）双层二硫化钨（WS2）的激子动力学。通过双指数拟合，发现快过程寿命基本恒定，慢过程寿命随堆叠角度变化。堆叠角度通过调控层间耦合强度和激子波函数离域化，显著影响激子寿命和扩散。0°堆叠强耦合导致激子离域化，加速扩散；25°堆叠弱耦合导致激子局域化，减缓扩散，寿命最长；60°堆叠则处于中间态。研究进一步揭示，层间耦合强度影响电子转移和复合速率。强耦合加速复合，缩短寿命；弱耦合抑制离域化，延长寿命。25°堆叠因最弱耦合，激子局域化最强，寿命最长，扩散最慢。层间耦合与基底相互作用共同解释了不同角度下的激子寿命和动力学差异。总结/展望本研究通过稳态光学技术（荧光、拉曼与吸收光谱）和瞬态反射成像（TRM）技术，系统揭示了堆叠角度对双层WS2激子动力学的调控机制。研究发现，层间耦合强度作为核心参数，显著影响激子的去局域化和扩散能力，而0°堆叠样品表现出最佳的激子迁移率（87.3 cm2/V s）和扩散长度（~1.06 μm）。研究首次结合热激活模型对莫尔势进行了系统性拟合，揭示了平均莫尔势深为16.7 meV，并阐明了莫尔势对激子迁移率的调控作用。进一步研究表明，堆叠角度通过调控层间耦合强度和莫尔势深度，协同影响下界面衬底作用，最终决定了激子的动力学行为和扩散特性。该研究不仅深化了对二维材料中激子动力学的调控机制的理解，还为设计高性能二维光电器件提供关键技术支持。该研究成果发表在Nano Letters 杂志上。国家纳米科学中心联合培养博士生钟阳光为文章第一作者，刘新风研究员、潘安练教授、岳帅副研究员、陈舒拉教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Twist Angle-Dependent Exciton Mobility in WS2 BilayersYangguang Zhong, Shuai Yue, Jieyuan Liang, Long Yuan, Yuexing Xia, Yubo Tian, Yuanyuan Zheng, Yuyang Zhang, Wenna Du, Dong Li, Shula Chen, Anlian Pan, and Xinfeng LiuNano Lett., 2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c00027
来源： X-MOL 2025-03-15

ACS Nano | 瞬态光谱学研究揭示二维钙钛矿中的激子极化子超快动力学

英文原题：Coherent Exciton Spin Relaxation Dynamics and Exciton Polaron Character in Layered Two-Dimensional Lead-Halide Perovskites通讯作者：熊启华（清华大学），秦廷箫（北京量子信息科学研究院）作者：Tingxiao Qin,* Xiu Zhang, Haiyun Liu, Yi Wei, Haiyun Huang, Baixu Xiang, Mengdi Zhang, Zhaohui Wang, Zhiyong Tang, and Qihua Xiong*极化子（Polaron）是由电子和晶格声子相互耦合产生的准粒子。在离子型或高极性晶体中，电子将附近晶格声子局域在其周围从而引起较强的电子-声子耦合，形成自限域的极化子。有机无机杂化钙钛矿结构具有极性、非刚性和动力学无序的内在晶格特征。在离子型钙钛矿半导体中，光激发产生的载流子能够和晶格发生耦合作用，光生载流子从而在一定程度上被声子保护，其本质来源于极化子的形成。极化子的形成能够引起电荷屏蔽和局域化效应，从而保护电荷载流子避免发生散射而复合。这也是为什么基于钙钛矿材料具有较长的载流子寿命以及扩散长度和相对中等的载流子迁移率，从而具有较高的光电转换效率的原因。在二维钙钛矿结构中，由于介电屏蔽作用的减弱和显著量子限域作用，光激发产生的强束缚激子能够和晶格声子耦合形成激子极化子（Exciton polaron）。迄今为止，二维钙钛矿中的激子极化子特征仍有待系统研究。近日，清华大学物理系熊启华教授和北京量子信息科学研究院超快光谱学研究团队在ACS Nano 上发表研究论文，基于超快脉冲振动光谱学（Impulsive vibrational spectroscopy）研究，揭示了二维钙钛矿中的激子激子极化子特征：共振激发产生的激子极化子的声子振动波包表现出cosine函数的振动行为，非共振激发产生的声子振动波包表现出sine函数的振动行为；并且激子极化子的震动频率相比声子频率发生蓝移。研究团队基于合成的二维钙钛矿单晶旋涂成薄膜样品，利用实验室自主搭建的具有手性依赖的超快瞬态吸收光谱，首先研究了二维钙钛矿中相干激子的自旋弛豫动力学过程。在二维钙钛矿结构中，由于介电屏蔽作用的减弱和强的量子限域作用，导致其自旋弛豫寿命只有亚皮秒量级。图1. 手性超快瞬态吸收光谱研究相干激子的自旋弛豫动力学过程二维钙钛矿中除了激子效应的存在，同时也存在极化子效应。激子弛豫动力学随着时间演化在起始的5皮秒内显示出周期性的震荡，其来源于激子和声子的耦合形成的激子极化子。对周期性振荡进行傅里叶变换可以得到声子的频率信息。共振激发产生的激子极化子的声子振动波包表现出cosine函数的振动行为，其原因是由于形成的极化子在激发态偏离声子在基态的平衡位置，表现出位移激发机制（Displacive excitation of coherent phonons, DECPs）。非共振激发产生的声子振动波包表现出sine函数的振动行为，表现出受激拉曼激发机制（Impulsive stimulated Raman spectroscopy, ISRS），且激子极化子的震动频率相比声子频率发生蓝移。图2. 激子极化子特征北京量子信息科学研究院秦廷箫助理研究员为本文的第一作者。清华大学物理系熊启华教授和北京量子信息科学研究院秦廷箫助理研究员为本文的共同通讯作者，北京量子信息科学研究院为本论文第一完成单位。该研究获得国家自然科学基金委员会重大研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会青年科学基金等项目的资助。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Coherent Exciton Spin Relaxation Dynamics and Exciton Polaron Character in Layered Two-Dimensional Lead-Halide PerovskitesTingxiao Qin,* Xiu Zhang, Haiyun Liu, Yi Wei, Haiyun Huang, Baixu Xiang, Mengdi Zhang, Zhaohui Wang, Zhiyong Tang, and Qihua Xiong*ACS Nano 2025, 19, 4, 4186–4194https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08591 Published January 23, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society导师介绍熊启华https://www.x-mol.com/university/faculty/373237 （本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-02-24

国家纳米科学中心刘新风研究员团队Nano Lett. | 硅基底法布里-珀罗微腔实现单层WS2激子发射增强

英文原题：Exciton Emission Enhancement in Two-Dimensional Monolayer Tungsten Disulfide on a Silicon Substrate via a Fabry–Pérot Microcavity通讯作者：刘新风（国家纳米科学中心），张文凯（北京师范大学），黄元（北京理工大学）作者：Xiaotian Bao（鲍笑天）, Jianwei Shi（史建伟）, Xu Han（韩旭）, Keming Wu（吴科明）, Xin Zeng（曾鑫）, Yuexing Xia（夏月星）, Jinghan Zhao（赵婧涵）, Zhiyong Zhang（张智勇）, Wenna Du（杜文娜）, Shuai Yue（岳帅）, Xianxin Wu（吴宪欣）, Bo Wu（吴波）基于二维单层过渡金属硫化物（TMDs）的激子发射器为小型发光二极管、量子发射器和光通信等新兴光电领域提供了一个实用性平台。单层TMDs作为一种直接带隙半导体材料，突破了块体材料的厚度限制，库仑屏蔽效应的降低产生了大的激子结合能，确保了其室温下的激子发射强度。然而，低量子产率和短荧光寿命是制约单层TMDs材料实际应用的主要因素。单层TMDs原子级厚度限制了其光与物质相互作用，导致弱的激子吸收与发射。此外，单层TMDs用于生长、转移的衬底对其激子荧光产率具有显著影响，这种影响主要是由于衬底诱导的掺杂单层和缺陷相关的激子非辐射复合过程。在室温下实现理想的单层TMDs激子发射器仍是一项艰巨的任务。因此，全面详细的荧光增强机理解释对硅基单层TMDs材料在小型化光电器件中的应用十分重要。近日，国家纳米科学中心刘新风研究员团队联合北京师范大学张文凯教授团队和北京理工大学黄元教授团队在Nano Letters 期刊上发表了关于硅基底法布里-珀罗微腔增强单层WS2激子发射的最新研究成果。该研究报道了一种增强激子发射、削弱衬底效应的实用性平台。研究团队将机械剥离的单层WS2与SiO2/Si衬底上的微孔耦合构筑法布里-珀罗腔（F-P腔）。通过调控激发波长和F-P腔模式之间的失谐，获得了最大的荧光增强因子（PLEF）~438。通过稳态荧光，角分辨反射光谱以及时域有限差分法模拟等技术证明有效的激子-腔模式耦合增强了单层WS2中光与物质相互作用，增强了激子的吸收与发射，提高了激子远场辐射的方向性（fwhm~ 5°）。通过时间分辨荧光光谱，变温荧光光谱以及瞬态吸收光谱等技术证明悬空的单层WS2削弱了衬底效应，减少了三子的形成，延长了激子的PL寿命，增强了激子的发射。本研究证明了单层TMDs与硅基底微孔耦合体系是同时实现增强激子发射和削弱衬底效应的实用性平台，为单层TMDs材料在集成光电子领域的发展开辟了道路。图1. 具有微孔的SiO2/Si衬底上单层WS2 PL增强。微腔的设计与表征机械剥离的单层WS2定点转移到具有微孔阵列的SiO2/Si衬底上，微孔采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀法制备，直径为5 μm，深度为6.5 μm。微孔上覆盖单层WS2的区域被标记为“on cavity”；SiO2/Si衬底上单层WS2区域被标记为“off cavity”。光学暗场散射成像用于识别微孔上是否覆盖单层WS2。在相同激发条件下，单层WS2 on cavity和off cavity表现出不同的PL强度，有力地说明了相比于单层WS2 off cavity，单层WS2 on cavity的PL强度得到显著增强。图2. F-P腔中单层WS2 PL增强机理。荧光增强机理分析在角分辨反射光谱中，bare hole在测量范围内没有观察到F-P腔模式特征，而单层WS2 on cavity出现了清晰的F-P腔模式。单层WS2中的激子峰与F-P腔模式明显重叠，增强了激子与光子的相互作用。通过测量波长依赖的PL光谱，在435 nm激发下获得最大的PLEF ~ 438。相比于单层WS2 off cavity，单层WS2 on cavity中的激子吸收明显增强。通过高斯函数拟合单层WS2 on cavity和off cavity 的PL远场辐射强度光谱，其远场辐射的半高全宽（fwhm）从46°减小到5°，说明F-P腔具有良好的相干性，使激子远场辐射具有更好的方向性，有利于其在定向发射领域的应用。图3. 单层WS2的时间分辨荧光光谱。单层WS2时间分辨荧光光谱时间分辨荧光光谱（TRPL）测量系统由条纹相机和共聚焦显微光路组成。双指数拟合得到单层WS2 off cavity中较短的辐射复合寿命和较长的非辐射复合寿命，而单层WS2 on cavity仅呈现出一个辐射复合寿命，它比单层WS2 off cavity的辐射复合寿命长一个数量级。单层WS2 on cavity展现出更窄的激子fwhm与更高的激子占比。较小的fwhm表明，on cavity的单层WS2具有更清洁的样品表面，缺陷更少，激子寿命更长。在4 K时，单层WS2 on cavity不仅保留了激子和三子的发射，而且由于介电屏蔽效应的降低，出现了双激子等发射特征。这说明单层WS2 on cavity削弱了衬底效应对激子形成与发射的影响，减少了三子的形成，使更多的激子以辐射复合的方式衰减，进而增强了单层WS2的激子发射强度。图4. 单层WS2的瞬态吸收光谱。单层WS2瞬态吸收光谱悬空的单层WS2使衬底效应在单层WS2 on cavity中被明显减弱。较短的三子辐射寿命表明三子占比明显减小，较长的电子-空穴复合寿命表明激子非辐射复合影响减弱，导致激子辐射寿命延长一个数量级，增强了单层WS2 on cavity中的激子发射，这与TRPL光谱结果一致。总结/展望通过在SiO2/Si衬底上构建由单层WS2和微孔组成的F-P腔，同时实现了衬底效应的减弱和激子发射的增强。通过调控激发波长和腔模式之间的失谐，获得最大的PLEF ~ 438。单层WS2的PL增强来自两方面的努力：有效的激子-腔模式耦合增强了单层WS2 on cavity的激子吸收与发射，远场辐射的方向性也得到提高。其次，悬空的单层WS2减弱了衬底效应，导致产生三子的缺陷减少，从而减弱了激子非辐射复合的影响，使激子的辐射寿命延长了一个数量级。此工作详细阐述了单层WS2在微孔体系中的PL增强机理，为单层TMDs材料在集成光电器件和小型化激子发射体领域的发展提供了新思路。该研究成果发表在Nano Letters 杂志上，并被选为Supplementary Cover。国家纳米科学中心联合培养博士生鲍笑天为文章第一作者，刘新风研究员、张文凯教授、黄元教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Exciton Emission Enhancement in Two-Dimensional Monolayer Tungsten Disulfide on a Silicon Substrate via a Fabry–Pérot MicrocavityXiaotian Bao, Jianwei Shi, Xu Han, Keming Wu, Xin Zeng, Yuexing Xia, Jinghan Zhao, Zhiyong Zhang, Wenna Du, Shuai Yue, Xianxin Wu, Bo Wu, Yuan Huang*, Wenkai Zhang*, Xinfeng Liu*Nano Lett. 2025, XXXX, XXX, XXX-XXXhttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05219 Published January 18, 2025© 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： Nano Letters 2025-02-21

ACS Nano | 干扰代谢与物理抗菌聚多肽囊泡喷剂治疗耐药菌感染伤口

英文原题：A Polypeptosome Spray To Heal Antibiotic-Resistant Bacteria-Infected Wound by Photocatalysis-Induced Metabolism-Interference通讯作者：杜建忠、范震、李畅（同济大学）作者：Tao Wang（王涛）, Runxin Teng（滕润鑫）, Mengjie Wu, Zhenghong Ge, Yaping Liu, Biao Yang, Chang Li（李畅）*, Zhen Fan（范震）*, Jianzhong Du（杜建忠）*伤口感染在日常生活中非常常见，对人类健康和生命安全构成严重威胁。由于抗生素的广泛使用，细菌很容易产生耐药性，使得耐药菌感染伤口难以治愈。因此，针对耐药菌感染伤口开发针对性的治疗手段具有重要意义。同济大学杜建忠教授（点击查看介绍）团队在伤口治疗领域持续开展研究，开发了一系列高分子囊泡和多肽喷剂。2021年，该团队提出了“抗菌又祛活性氧，双管齐下治溃疡”的策略（ACS Nano 2021, 15, 9027），利用兼具抗菌和祛除活性氧功能的囊泡，在抗菌的同时消除氧化应激对伤口愈合不利的影响。同年，又提出了“抗菌又产硫化氢，囊泡疗伤溃疡停”的策略（Chem. Mater. 2021, 33, 7972），通过构建兼具抗菌和缓释硫化氢功能的囊泡，结合硫化氢促进细胞迁移的功能，提出抗菌-促愈合疗法，实现对伤口的治疗。2023年，该团队设计了一种兼具抗菌和抗氧化功能的多肽喷剂（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214454），使用时在皮肤中酪氨酸酶的诱导氧化下，原位自组装为类黑色素多肽纳米颗粒，并表现出增强的抗菌和抗氧化功能，提高了伤口的治疗效果。近期，该团队还构建了兼具抗氧化和免疫调节功能的囊泡喷剂（Nano Lett. 2024, 24, 9494），有效降低伤口处的活性氧水平并调控伤口处的免疫稳态，促进伤口的愈合。能量代谢是细菌所有生理活动的核心驱动力，因此干扰细菌能量代谢的抗菌机制值得深入研究。鉴于细菌内部烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+/NADH）的稳态平衡对于维持细菌正常的能量代谢至关重要，该团队提出一个科学问题：是否可以通过干扰细菌的NAD+/NADH的稳态平衡，实现对耐药菌感染伤口的有效治疗？围绕该问题，该团队构建了一种兼具干扰细菌能量代谢与物理抗菌功能的聚多肽囊泡喷剂，可有效杀灭耐药菌，为治疗耐药菌感染伤口开辟了新途径。图1. 兼具干扰细菌能量代谢与物理抗菌功能的聚多肽囊泡喷剂及治疗耐药菌感染伤口示意图。研究思路如图1所示。首先，该团队设计并合成了一种可生物降解的抗菌聚多肽PCL54-b-PGA6-b-Poly(Lys15-stat-Phe9)，并通过自组装得到聚多肽囊泡（AP），然后在聚多肽囊泡表面原位修饰具有光催化功能的硫化铋纳米粒子（Bi2S3 NPs），得到硫化铋修饰的聚多肽囊泡（AP@Bi2S3）。一方面，囊泡本身具有很好的抗菌活性，可通过物理抗菌功能破坏细菌膜层；另一方面，囊泡在808 nm的近红外光（NIR）激发下产生的自由电子可干扰细菌内部NAD+/NADH的稳态平衡，从而干扰细菌能量代谢。上述两种作用可协同诱导耐药菌死亡。这种囊泡以喷雾的形式喷涂于小鼠的耐药菌感染伤口上，能够有效促进耐药菌感染伤口的愈合。如图2A, B所示，APs和APs@Bi2S3的粒径约为344 nm和324 nm，同时具有良好的稳定性。在pH为5.8时，APs的ζ电位值约为+35.0 mV。当pH由5.8增大到8.2时，APs的ζ电位值逐渐减小到+7.7 mV（图2C）。由于细菌感染微环境是偏酸性，因此该pH响应性有利于囊泡的物理抗菌。透射电子显微镜（TEM）图证实了APs的囊泡结构（图2D, E）。紫外可见光谱证实了APs@Bi2S3相较于APs在500 ~ 1000 nm的范围内具有更高的吸光度（图2F）。图2G-I的TEM图像和粒径分布则证实了Bi2S3纳米粒子的成功修饰。图2. 聚多肽囊泡的结构表征。(A) APs和APs@Bi2S3的粒径分布。(B) APs@Bi2S3的稳定性试验。(C) APs在不同pH下的ζ电位变化。(D, E) APs的TEM图。(F) APs和APs@Bi2S3的紫外可见光谱图。(G, H) APs@Bi2S3的TEM图。(I) APs@Bi2S3中Bi2S3纳米粒子的粒径分布。利用X射线衍射（XRD）分析了APs@Bi2S3的晶体纳米结构，发现了属于PCL的衍射峰和属于Bi2S3的衍射峰（图3A）。并进一步用热重法对APs@Bi2S3中Bi2S3的比例进行了分析，结果与投料比相吻合（图3B）。APs和APs@Bi2S3在NIR照射前后都具有较低的细胞毒性（图3C）。如图3D所示，APs@Bi2S3在NIR照射下，可以促进NADH转化为NAD+，这表现为340 nm处NADH的特征吸收峰下降，260 nm处NAD+的特征吸收峰升高（图3E）。将细菌与APs@Bi2S3共孵育，随着NIR照射的时间增加，细菌内部的活性氧含量也随之增加（图3F）。以上结果说明了囊泡在NIR激发下产生的自由电子可干扰细菌内部NAD+/NADH的平衡。图3. 聚多肽囊泡的功能表征。(A) APs@Bi2S3的XRD图。(B) APs@Bi2S3的热重分析。(C) APs和APs@Bi2S3在NIR照射前后的细胞毒性。(D) Bi2S3产生电子和氧化NADH的机理示意图。(E) NAD+和NADH在NIR照射下的紫外可见光谱变化。(F) 不同NIR照射时间下细菌中活性氧的含量。在体外进一步测定了囊泡对大肠杆菌（E. coli）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抗菌效果，并对结果进行了量化分析，同时利用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜初步研究了抗菌机理。通过对抗菌结果分析，证实该聚多肽囊泡可首先通过物理抗菌破坏细菌膜的完整性，而NIR激发的聚多肽囊泡（APs@Bi2S3+NIR）的抗菌效果则得到了进一步提高。图4. 聚多肽囊泡的体外抗菌能力表征。(A) APs、APs@Bi2S3和APs@Bi2S3+NIR的抑菌效果图。(B) 细菌计数图。(C) 细菌活力图。(D) 细菌经APs、APs@Bi2S3和APs@Bi2S3+NIR处理后的激光共聚焦扫描显微镜图。(E) 细菌经APs、APs@Bi2S3和APs@Bi2S3+NIR处理后的扫描电子显微镜图。为了进一步研究NIR激发下聚多肽囊泡的抗菌机理，通过RNA测序分析了经APs@Bi2S3+NIR处理后的MRSA的动态转录组。在MRSA基因表达谱中检测到2637个基因，有476个差异表达基因具有统计学意义，其中278个上调，198个下调（图5A）。相关性分析显示两组具有可比性（图5B）。差异表达基因的类热图证实了各基因在不同群体中的表达水平（图5C和D）。为了进一步探究APs@Bi2S3+NIR对MRSA生物学功能和基因通路的影响，还进行了GO和KEGG富集分析（图5E和F），结果证实细菌氧化还原平衡的破坏是细菌死亡的原因之一，其中和NADH转化相关的adhE和adh1基因具有差异。细胞膜的破坏往往会影响ATP相关基因的表达。如图5G所示，与ATP合成和跨膜运输相关的基因明显下调，也证实了聚多肽囊泡的抗菌机制。以上结果说明聚多肽囊泡在近红外光激发下可通过干扰细菌能量代谢杀灭细菌。图5. 聚多肽囊泡的抗菌机理研究。(A) 差异表达基因的火山图。(B) 对照组与APs@Bi2S3+NIR的相关性分析。(C) 细菌参与差异表达基因热图。(D) 参与细菌氧化还原的差异表达基因热图。对照组与APs@Bi2S3+NIR处理组差异表达基因的(E) GO富集分析，(F) KEGG富集分析，(G) 细菌膜相关差异表达基因热图。动物实验证实，经PBS治疗的MRSA感染伤口的愈合速度最慢，APs@Bi2S3治疗的伤口愈合速度居中，而APs@Bi2S3+NIR治疗的伤口愈合速度最快。APs@Bi2S3+NIR治疗的伤口在第9天几乎闭合，而PBS治疗的伤口在第13天仍未闭合（图6A-C）。如图6D和E所示，与PBS组相比，APs@Bi2S3治疗的伤口在第5天时的细菌数量明显下降，但仍保持较高水平。而APs@Bi2S3+NIR治疗的伤口则几乎没有发现细菌菌落。对伤口组织进行了H&E和Masson染色，结果表明APs@Bi2S3+NIR对皮肤组织几乎无副作用（图6F）。以上结果都证实了聚多肽囊泡在近红外光激发下具有良好的抗菌效果，促伤口愈合能力，并对皮肤组织几乎无副作用。图6. 聚多肽囊泡对MRSA感染伤口的治疗效果图。(A-C) 伤口的愈合效果图。(D, E) 伤口第五天的细菌菌落图和计数。(F) 伤口皮肤组织的H&E和Masson染色图。该成果发表在ACS Nano。同济大学王涛博士和滕润鑫博士生为论文的共同第一作者，同济大学杜建忠教授、范震教授和李畅副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目等资助。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：A Polypeptosome Spray To Heal Antibiotic-Resistant Bacteria-Infected Wound by Photocatalysis-Induced Metabolism-InterferenceTao Wang, Runxin Teng, Mengjie Wu, Zhenghong Ge, Yaping Liu, Biao Yang, Chang Li*, Zhen Fan*, Jianzhong Du*ACS Nano 2024, 18, 52, 35620–35631https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13965 Published December 17, 2024© 2024 American Chemical Society导师介绍杜建忠https://www.x-mol.com/university/faculty/17053 （本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-02-17

北京大学&南京大学JCTC | CF₃I光解离动力学中的Jahn-Teller效应

英文原题：Jahn–Teller Effect on CF3I Photodissociation Dynamics通讯作者：李铮（北京大学），徐海潭（南京大学）作者：Ming Zhang, Bowen Dong, Xiaoyu Mi, Xiaolong Dong, Zhongchen Xing, Yicheng Zhuang, Boya Qin, Haitan Xu*, Zheng Li*作为一种重要的对称性自发破缺机制，Jahn-Teller (JT) 效应普遍存在于分子和凝聚态体系中。JT效应指出，在分子中，电子与原子核运动的耦合会导致简并电子态的不稳定性，即在简并电子态下，分子几何结构会产生自发的对称性破缺，使电子态的简并性解除。伴随着超短激光脉冲和飞秒时间分辨成像方法的出现，测量JT形变动力学过程成为一个重要的研究方向。本文研究了CF3I分子在3Q0+和1Q1激发态上的光解离动力学过程，重点分析了JT效应对解离过程的影响。此前的研究工作中测量JT形变的方法，例如通过库仑解离成像直接测量分子几何结构变化，不适用于对分子解离动力学中JT效应的测量，因为由JT效应引起的分子几何结构的变化通常远小于解离过程本身的结构变化。因此，本文提出通过测量解离末态的转动激发中来间接探测JT效应的新方法，如图1所示。图1. CF3I分子在3Q0+和1Q1态上的光解离动力学过程示意图，JT效应导致I原子在解离过程中偏离CF3I分子的对称轴，产生的反冲力矩造成CF3的转动激发。我们通过第一性原理 (ab initio) 量子化学计算得到了CF3I分子3Q0+和1Q1激发态的三维势能面 (Potential Energy Surfaces, PES)，并构建透热态哈密顿量模型来模拟光解离过程中的波包动力学。图2展示了CF3I在光解过程中的势能面的一维截面，JT效应使得1Q1态沿α方向的能量最低点偏离平衡位置，这使得I原子在解离过程会偏离CF3I的对称轴方向，引起解离末态CF3的转动激发。图2. 1A1、3Q0+和1Q1态势能面的一维截面，其中RCI表示C原子到I原子的距离，r表示C原子到3个F原子中心的距离、α表示C-I方向与分子对称轴的夹角。通过光解离过程中的波包动力学计算，我们用量子层析 (Quantum Tomography, QT) 方法得到了解离末态CF3的转动态密度矩阵，并进一步分析了JT效应对转动激发、部分相干性以及选择定则的影响。如图3所示我们发现1Q1态的转动量子态分布集中在较高能级，对应于1Q1态上JT效应引起的CF3的转动激发。图3. 1Q1态上解离末态波包对应的CF3转动态密度矩阵。本文研究了CF3I分子在3Q0+和1Q1态上的光解离波包动力学过程，提出通过测量解离末态CF3转动激发来探测JT效应的方法。由于转动量子态的能级间隔较小且转动周期较长，这种方法在实验上具有较高的灵敏度和可行性。这一成果不仅深化了对分子光解过程中JT效应的理论理解，也为实验验证和拓展该效应的应用提供了新方向。随着超快光学与衍射成像技术的不断进步，该方法有望在更广泛的分子体系中得到验证与应用。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Jahn–Teller Effect on CF3I Photodissociation DynamicsMing Zhang, Bowen Dong, Xiaoyu Mi, Xiaolong Dong, Zhongchen Xing, Yicheng Zhuang, Boya Qin, Haitan Xu*, Zheng Li*J. Chem. Theory Comput. 2024, 20, 24, 10875–10885https://doi.org/10.1021/acs.jctc.4c01235 Published December 4, 2024Copyright © 2024 American Chemical Society通讯作者简介李铮，北京大学助理教授，主要从事第一性原理分子结构和动力学的理论研究，包括分子运动的超快电子衍射、超快X射线衍射、X射线光谱学、量子光学成像、对分子动力学过程的量子调控、以及自由电子激光相关的理论。多篇论文发表在Science, Phys. Rev. Lett., J. Phys. Chem. Lett.等国际一流期刊上。徐海潭，南京大学姑苏青年教授，功能材料与智能制造研究院助理院长。主要研究拓扑量子光力学、量子计算、精密测量、微纳加工等，多项成果发表于Nature、Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等学术期刊上。代表性成果包括: 在光力学系统中观测到了具有非平凡拓扑结构的能谱奇异点并且首次实现了拓扑能量传递；首次实现了非互易的光力学声子传递以及光力学弯曲相变；设计研制新型光力学传感器件,发明基于芯片的高灵敏度温度传感器；结合量子和拓扑物理，提出了多种设计和算法来构造拓扑量子比特和量子门，用于拓扑量子计算，特别是构造出了首个普适受控三比特拓扑量子门。（本稿件来自ACS Publications）
来源： Journal of Chemical Theory and Computation 2025-02-14

天津大学王汉杰课题组ACS Nano | 构建工程菌在体“细胞工厂”生产负载RNA的外膜囊泡用于肿瘤治疗

英文原题：Utilizing Engineered Bacteria as “Cell Factories” In Vivo for Intracellular RNA-Loaded Outer Membrane Vesicles’ Self-Assembly in Tumor Treatment通讯作者：王汉杰、刘培源（天津大学），张英英（徐州医科大学）作者：Dawei Sun（孙大玮）, Yize Li（李亦泽）, Xiaoxuan Yin（殷晓璇）, Yali Fan, Jing Liu, Yaxin Wang, Xinyu Liu, Guijie Bai, Ke Li, Yanyan Shi, Peiyuan Liu（刘培源）*, Yingying Zhang（张英英）*, Hanjie Wang（王汉杰）*RNA疗法具有治疗效率高、药物毒性小、特异性强和应用领域广等优点，在医学、生命科学等领域表现出巨大的前景。由于RNA易降解，难以进入宿主细胞等特性，开发一种高效的RNA递送系统至关重要。目前已提出基于脂质纳米粒、阳离子聚合物复合物和外泌体的多种RNA递送系统。然而，当前递送策略的共同特点是在体外预先将RNA与载体组装，这需要复杂的步骤、严格的环境条件和较高的成本。因此，开发一种无需体外纯化和组装的简单高效RNA递送系统至关重要。近日，天津大学生命科学学院王汉杰教授团队在ACS Nano上发表研究论文，设计构建了一种无需体外组装和纯化新型RNA递送系统，以工程菌作为在体“细胞工厂”，胞内连续生产负载RNA的外膜囊泡（OMVs）用于肿瘤治疗。研究团队利用具有肿瘤靶向性的益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）作为在体“细胞工厂”，通过敲除基因组上的nlpI，得到高产OMVs的菌株。同时，研究人员设计并构建了胞内高产RNA的基因线路，在工程菌内可以高效自组装生产负载目标RNA的OMVs。研究人员首先探索了该递送系统的稳定性和持续性，随后确认了该平台递送不同类型RNA（包括mRNA、miRNA和siRNA）的能力。最后研究团队以工程菌在体生产负载PD-L1 siRNA的OMVs为例，验证了该RNA递送系统的在体治疗肿瘤的效果。这一方法有望为RNA递送系统提供一条有前景的途径。图1. 研究示意图研究人员通过敲除大肠杆菌外膜脂蛋白基因nlpI，降低细胞膜的稳定性，提高OMVs的产量约100倍。为了提高大肠杆菌生产RNA的能力，研究人员通过引入tRNA支架提高了小RNA的稳定性，并且通过对基因线路进行了启动子优化，得到高产RNA的基因线路。图2. RNA递送系统的设计与构建天津大学生命科学学院孙大玮、殷晓璇及徐州医科大学李亦泽为本文的共同第一作者。天津大学生命科学学院王汉杰、刘培源及徐州医科大学张英英为本文的共同通讯作者，天津大学生命科学学院为本论文第一完成单位。该研究获得国家重点研发计划“合成生物学”专项、国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金、天津市杰青基金等项目的资助原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Utilizing Engineered Bacteria as “Cell Factories” In Vivo for Intracellular RNA-Loaded Outer Membrane Vesicles’ Self-Assembly in Tumor TreatmentDawei Sun, Yize Li, Xiaoxuan Yin, Yali Fan, Jing Liu, Yaxin Wang, Xinyu Liu, Guijie Bai, Ke Li, Yanyan Shi, Peiyuan Liu*, Yingying Zhang*, Hanjie Wang*ACS Nano 2024, 18, 52, 35296–35309https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11412Published December 18, 2024Copyright © 2024 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-02-10

Nano Lett. | 室温下单层有机单晶激子极化激元

英文原题：Room-Temperature Exciton Polaritons in a Monolayer Molecular Crystal通讯作者：都薇、王涛（苏州大学）作者：Lan Zhang, Maowen Ge, Boxiang Zhao, Kai Xu, Wenhao Xie, Zhen Zou, Wenfei Li, Jiaxin Zhao, Tao Wang*, Wei Du*激子极化激元是光腔调制的光子与半导体中的激子发生强耦合作用而产生的一种新的准粒子，兼具光子与激子的特性。激子极化激元具有比激子更小的有效质量，可以在更高温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚，从而构筑低阈值的激子极化激元激光器。通过外加磁场或设计光学尺度下的周期结构等手段，可进一步调控激子极化激元的特性，使其收获了广泛的研究兴趣。迄今为止，激子极化激元的形成已经在不同的半导体材料体系中得到了验证，如传统的无机半导体、有机半导体、二维过渡金属硫族化合物以及钙钛矿材料等。其中，由弗兰克尔激子主导的有机半导体因其高的激子结合能、激子振荡强度以及荧光量子产率，被认为是构筑室温激子极化激元器件的良好选择。然而，其当前研究主要聚焦于大尺寸的有机单晶或者有机薄膜材料，而基于单层有机单晶的激子极化激元器件尚未实现。近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院都薇教授和王涛教授团队首次报道了室温条件下基于单层有机单晶的激子极化激元器件。在此项研究中，研究团队利用物理气相沉积的方法制备了单层的二甲基-3,4,9,10-苝四甲酰亚胺（Me-PTCDI）有机单晶。此类Me-PTCDI单层表现为J-聚集体形式，在室温条件下，其吸收可以达到接近10%，激子半峰宽约为32 meV。将此Me-PTCDI单层嵌入到法布里-珀罗光学微腔内，对其进行角分辨光谱测量，研究团队观测到了反交叉的色散曲线，表明激子极化激元的形成。利用耦合振子模型拟合得到的拉比劈裂值为34 meV，与文献中报道的二维过渡金属硫化物单层体系的数值十分接近。图1. 物理气相沉积生长的Me-PTCDI单层和多层。图片来源：Nano Lett.进一步，Me-PTCDI单层中分子规则的取向排列给其激子发光带来了偏振特性，在室温条件下，其激子发光的线偏振度可达94%。由此，在微腔结构中，研究团队也验证了偏振依赖的耦合强度。通过在探测光路中加入偏振片，激子与光子的耦合强度可随偏振方向改变，并在强耦合和弱耦合区间进行切换。另一方面，通过将多个Me-PTCDI单层堆叠起来，层间以薄层六方氮化硼作为间隔，可以获得有机-无机杂化超晶格结构，此类超晶格结构展示出了更高的耦合强度。图2. 基于单层Me-PTCDI的激子极化激元。图片来源：Nano Lett.图3. 有机-无机杂化超晶格结构。图片来源：Nano Lett.上述研究首次将单层有机单晶材料应用到激子极化激元体系中，为室温激子极化激元器件开辟了新的材料体系。这一成果近期发表在Nano Letters 上，文章第一作者为苏州大学博士研究生张兰和硕士研究生葛茂文。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Room-Temperature Exciton Polaritons in a Monolayer Molecular CrystalLan Zhang, Maowen Ge, Boxiang Zhao, Kai Xu, Wenhao Xie, Zhen Zou, Wenfei Li, Jiaxin Zhao, Tao Wang*, Wei Du*Nano Lett., 2024, 24, 50, 16072–16080https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04562 Published December 6, 2024Copyright © 2024 American Chemical Society苏州大学功能纳米与软物质研究院都薇教授和王涛教授团队https://www.x-mol.com/groups/nano-light （本稿件来自ACS Publications）
来源： Nano Letters 2025-02-05

温州医科大学李圆凤/南开大学申静团队ACS Nano | 通过反应诱导自组装的动态共价前药纳米网络治疗牙周炎

英文原题：Dynamic Covalent Prodrug Nanonetworks via Reaction-Induced Self-Assembly for Periodontitis Treatment通讯作者：刘勇（南开大学），申静（南开大学附属口腔医院），史林启（南开大学），李圆凤（温州医科大学）作者：Haoyue Wu（吴皓玥）；Yumeng Wang（王雨萌）；Yinzi Piao（朴银子）；Zhuojun Meng（孟卓君）；Xiaowen Hu（胡潇文）牙周炎发病主要由于龈下生物膜存在，病原菌过度生长，致病菌通过逃避免疫反应并触发促炎介质的释放，最终导致牙周炎症和骨吸收。当前牙周炎治疗的一般临床药物策略是使用单一药物来治疗某一问题，如抗生素治疗菌群紊乱和双膦酸盐类药物治疗骨丧失。然而，长期抗生素应用易产生耐药性风险，双膦酸盐药物治疗则可能诱发双膦酸盐相关颌骨坏死。因此迫切需要一种全面的药物联合治疗方法，针对生物膜失调、免疫调节和组织修复进行综合管理，从而获得更成功的治疗效果，避免单一药物可能产生的副作用。本文研究亮点：1. 方法：介绍了反应诱导自组装（RISA）在水溶液中的创新应用，利用苯硼酸（FPBA）结合不同多胺类化合物、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和阿仑膦酸钠（ALN），通过动态共价键形成前药纳米网络（dcNNW）。与传统的化学键合方法相比，这种方法提供了一种可持续且环保的解决方案，消除了有害溶剂、复杂的合成过程和有毒副产物的生成。2. 动态共价键：动态共价亚氨基硼酸酯键的形成不仅促进了 dcNNW 的产生，而且保护母体药物免受氧化，最大限度地减少副作用并根据需要实现药物的受控释放。3. 生物学协同效应：dcNNW 有效地满足了牙周炎治疗的必要条件，包括局部粘附、生物膜清除、炎症减少和骨再生，通过这些协同效应，dcNNW有效解决了牙周炎的关键问题。具体而言：（1）邻苯二酚结构域和ALN引入使纳米网络具有优异的生物粘附特性，确保即使在潮湿的条件下也能在局部保留，抵抗唾液冲洗时的损失。（2）粘附在生物表面的dcNNW可以抑制细菌生物膜的形成，通过释放治疗组分破坏已建立的生物膜。（3）dcNNW还可以吸收病原体相关分子模式，并清除炎症微环境中过量的活性氧，以减轻炎症。（4）dcNNW内的ALN可以通过激活经典Wnt信号通路，促进成骨，并抑制破骨细胞的形成。图1. 多功能dcNNW的合成及其生物粘附、生物膜去除、抗炎和骨重塑等功能在牙周炎治疗中的应用。图2. dcNNWs发挥生物学功能的具体机制示意图。总结/展望本研究基于动态共价键的性质有效克服了单个母体药物的局限性，使其能够在感染和炎症微环境中控制释放。dcNNW通过RISA具有简单的合成过程、牙周炎治疗中出色的协同效应和生物相容性，为有效的牙周炎管理提供了一个有前途的替代方案。相关论文发表在ACS Nano 上，南开大学医学院硕士研究生吴皓玥为文章的第一作者，刘勇教授、申静教授、史林启教授和李圆凤副教授为通讯作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Dynamic Covalent Prodrug Nanonetworks via Reaction-Induced Self-Assembly for Periodontitis TreatmentHaoyue Wu, Yong Liu*, Yumeng Wang, Yinzi Piao, Zhuojun Meng, Xiaowen Hu, Linqi Shi*, Jing Shen*, Yuanfeng Li*ACS Nano 2024, 18, 51, 34884–34901https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12580 Published December 11, 2024© 2024 American Chemical Society导师介绍李圆凤https://www.x-mol.com/groups/yuanfengliwmu （本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-01-27
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