Matter年度盘点——人造电子血管问世

原创 Cell Press CellPress细胞科学 

今年是Matter快速成长的一年。我们的投稿量增加了40%,文章下载次数增加了三倍多。我们想要感谢一直以来为我们提供了支持与帮助的读者,作者以及审稿人们。为了庆祝过去这一年的成就,Matter编辑团队的每个人都选出了他们最喜欢的2020年论文,与大家分享。

Matter编辑团队

Steve Cranford的选择

Matter主编

在快离子导体中,通过在室温下打开阴离子旋转来靶向超离子导电性

人们对固态器件的极大兴趣推动了描述符的发展,这些描述符可用于开发更好的材料。以往的工作主要集中在静态结构,而发现阳离子迁移率和阴离子动力学之间的相互作用也可以提供一个强大的描述符。在本篇文章中,加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar教授团队证明了[PS4]在快速离子导体β-Li3PS4及其Si取代的模拟物Li3.25Si0.25P0.75S4中旋转非常容易,而在非导电相γ-Li3PS4中则没有旋转。声子计算表明,Si取代P时熵的增加是室温下高温相(β-Li3PS4)稳定的来源。联合时间相关分析和功率谱表明[PS4]/[SiS4]负离子旋转动力学耦合到明轮效应中,通过拓宽Li+离子输运的瓶颈,大大增强了阳离子的扩散。这些发现阐明了负离子动力学的关键作用,并可作为新导体设计的指南。

Steve Cranford 博士点赞理由:Richard Feynman以预测由原子对物质进行操纵的世界而闻名,认为底部有足够的空间。但他几乎没有意识到,即使在底层,仍然有更多的变量需要操纵。在追求超导性的过程中,电子结构是新的原子,可以被校准和操纵。Linda F. Nazar教授团队的工作证明了旋转分子的负离子动力学的潜力,可作为新导体设计的一般指导方针。

光充电织物:随身行走的可穿戴移动电源

用于发电的智能纺织品是一种卓越的能源解决方案,大大提高了可穿戴生物电子产品的便利性和舒适性。然而,保持电力供应的可持续性和稳定性仍然是一个巨大的挑战。美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)陈俊教授课题组与中科院过程所聂毅研究员、重庆大学范兴教授等团队合作,针对当今可穿戴电子领域的应用需求,开发了一种集太阳能电池和锌离子电池一体的可充电织物。在标准的1个太阳条件下充电1分钟后,该织物能够持续以 0.1 mA 的电流供电 10 分钟。它还可以在扭曲和潮湿的环境下正常工作,并能将存储的能量保存60天以上,而不会出现显著的电压损失。实验证明,这种可光充电织物可为人体区域传感器网络提供电力,将用于个性化医疗保健。

各向异性液态金属填充磁流变弹性体(ALMMRE)

各向异性弹性复合材料,即含有定向填料的弹性体,往往在定向方向上性能有所增强。根据填充材料的不同,这些复合材料可以具有理想的电气、热或机械性能。澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授、英国伯明翰大学唐诗杨博士领导的研究组与美国北卡莱罗纳州立大学Michael Dickey教授组成的联合研究团队合成了一种由铁磁微米颗粒、液态金属和高分子弹性基体组成的各向异性液态金属填充磁流变弹性体(ALMMRE),并深入探究了其压导特性。ALMMRE不仅拥有各向异性的导电性能,还展现出各向异性的压导(piezoconductivity)特性。沿不同方向,复合材料甚至具有相反的应变响应,这种反常的压导特性在以往的研究中是从未提出过的。ALMMRE可能有助于推动未来的柔性传感器和软电子产品的发展。

Stacey Chin博士的选择

Matter科学编辑

以RuO2@TiO2为基准以标准化光催化析氧速率

定量比较不同光催化装置的光催化性能在技术上具有挑战性。在本篇文章中,德国马克斯·普朗克研究所Bettina V. Lotsch教授团队报道了结合相对和最佳光子效率的概念,利用光沉积在P25-TiO2光催化剂的RuO2作为内部基准材料,进行光催化活性的标准化,同时针对P25-TiO2光催化剂的析氧反应(OER)的可重复性进行了优化。此外,还确定了一套通用的做法,以确保可靠的光催化OER量化,包括光反应器设计、光催化剂分散和由牺牲电子受体引起的寄生反应的控制。

Stacey Chin博士点赞理由:可重复性和基准化对于材料研究非常重要,尤其是在催化领域!Bettina V. Lotsch教授团队的这项工作是我认为 2020 年Matter发表的最重要的论文之一,因为它强调了提高测量的可靠性,并与OER 领域共享最佳实践操作。

可拉伸超薄织物作为半透明电极用于可更换显示图案的可穿戴发光电子纺织品

尽管贯穿人类历史发展了大量的纺织材料和结构,纺织品的多孔结构和非平面表面往往仍被视为制造可穿戴电子纺织品和智能服装的问题。加拿大温莎大学的Tricia Breen Carmichael等人报道了一种新的以纺织品为中心的设计范例,研究人员将纺织品结构作为可穿戴设备设计中不可或缺的一部分。研究团队在一种超敏针织物的开放框架结构上涂上一层适形金膜,采用溶液金属化的方法,形成了一种高导电(3.6 0.9ω/sq),并以R/R0 < 2保持对200%应变的电导率的超敏金电极。这种超敏电极可用于可穿戴的、高延展性的发光电子纺织品,其应变可达200%。蜡电阻提供用于图案光发射的图案电极;此外,结合软接触层压制作的发光纺织品,首次表现出易于改变的照明模式。

动态和可编程的细胞级颗粒使组织样材料成为可能

活体组织是一个完整的、多尺度的结构,由密集的细胞和细胞外基质(ECMs)组成。细胞和ECM相互协作,实现特殊的机械性能和动态响应能力。然而,活体组织的机械特性是很难复制的。一个特殊的挑战是鉴定一种细胞样合成成分,这种成分与它的基质紧密结合,也能对外界刺激作出反应。芝加哥大学Heinrich M. Jaeger,Bozhi Tian和Yin Fang等人证明了细胞尺度的水合淀粉颗粒(材料科学中尚未开发的成分)可以在复合材料形成时将传统的水凝胶转变为类似组织的材料。利用同步x射线技术,揭示了水凝胶基质中淀粉颗粒的机械诱导组织和训练动力学。这些动态行为可以实现多种类组织特性,如可编程性、各向异性、应变加强、机械化学和自愈合性。

孙吉庆博士的选择

Matter科学编辑

单分子等离激元光镊技术

人们对于在常温常压条件下尤其是溶液环境中俘获或者操控微观粒子的追求从未停止,以期不断减少可操控的微观粒子的尺寸,最终实现单分子操控的目标。然而,分子布朗运动严重抑制了分子的顺利俘获。人们仅可在特殊条件下将分子与微结构结合以增大俘获力,但仍难以实现可控的俘获和释放。除了分子量很大的生物大分子之外,迄今尚未能实现溶液中小分子的俘获。厦门大学化学化工学院田中群教授和洪文晶教授团队合作,利用等离激元光学纳米间隙实现了单分子的直接捕获与释放方面。该方法使得在溶液中光学可操控物体的极限尺寸降低到单分子尺度,为物理、化学、生命科学中的分子或微粒的操控开辟了一条新的途径。

孙吉庆博士的点赞理由:为了避免超高真空和超低温测试环境的麻烦,田中群教授和洪文晶教授团队提出了一种简单的策略,利用可调节的等离基元光学纳米管直接捕获、研究和释放单个分子(U+ 2nm)。这对需要直接操纵单个分子或超小型目标的物理、化学、生命科学和材料科学至关重要,这也将激发纳米设备与分子机器的构建。

人造电子血管问世

南方科技大学的蒋兴宇教授课题组联合中国医学科学院阜外医院张岩教授报道了一种柔性电子血管,该血管由聚(L-丙交酯-ε-己内酯)(PLC)结合液态金属构成,通过集成柔性电子器件与三层血管细胞,以模拟自体血管结构,有望实现对血管疾病的原位精准监测与治疗。作者通过连续电刺激,成功促进了人工血管内皮化进程,并可以通过电穿孔进行特定区域的基因递送,从而实现原位基因治疗。电子血管在血管系统中具有出色的生物组织相容性及血液相容性。作者利用该电子血管进行了初步的小动物通畅性实验,在兔子颈动脉置换模型中,植入三个月后,超声与动脉造影结果显示,电子血管与自体血管的匹配性良好,均显示出极大的通畅性,没有观察到狭窄迹象。期待该研究对心血管植入电子的相关应用带来突破。

赛博链:为电池全生命周期管理提供数字化解决方案

电动化、智能化、网联化、共享化正在成为汽车产业的发展潮流和趋势。新能源汽车融汇新能源、新材料和互联网、大数据、人工智能等多种变革性技术,将大大推动汽车从单纯交通工具向移动智能终端、储能单元和数字空间转变。作为新能源汽车“三纵三横”研发布局的重要一环,构建高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池及管理系统,完善动力电池回收、梯级利用和再资源化的全生命周期循环利用体系,成为亟待突破的关键核心技术之一。北京航空航天大学杨世春教授、刘新华助理教授团队提出了一种电池全生命周期管理系统的数字化解决方案:赛博链(CHAIN)。

张星才的选择

Matter科学编辑

为质子交换膜燃料电池中的高性能氧还原反应定制三相微环境

尽管在用于限速的阴极氧还原反应(ORR)的催化剂开发方面取得了巨大进展,但在满足实际质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能要求的同时,减少Pt用量仍然是一个挑战。PEMFC中的ORR发生在催化剂-电解质-气体的三相界面处。理想的界面应显示出高活性和可用的催化位点,并允许高效的氧气和质子进入到催化位点并及时除去水以避免界面溢流。加州大学洛杉矶分校黄昱教授等人,重点研究了碳载体的化学修饰以调整碳-离聚物的相互作用,以创建有利的三相界面,促进PEMFCs中的ORR。通过这种精心设计的界面,研究团队首次展示了PEFMC的所有关键ORR催化剂性能指标,包括质量活度、额定功率和耐久性,超过了美国能源部的目标。

张星才博士的点赞理由:众所周知,表面化学成分会影响反应,但将其与性能指标(如质量活度、额定功率和耐久性)联系起来是一个挑战。黄昱教授团队通过实验和计算的联合努力来表征复杂的催化剂电解质气体三相界面,阐明了界面工程的重要性。

液态界面介导卤化铅钙钛矿的结构相变

金属卤化钙钛矿中结构相变的微观途径很难探测,因为它们发生在不同的时间和长度尺度上,而且通常用于直接探测纳米尺度相变动力学的电子显微镜往往会破坏金属卤化钙钛矿材料。利用低电子束曝光的原位纳米级阴极发光显微镜,加州大学伯克利分校Naomi S. Ginsberg,杨培东和David T. Limmer等人和观察了数百条非钙钛矿相纳米线中钙钛矿相的热驱动转变成钙钛矿相的形核和生长。结合分子动力学模拟,揭示了这种转变并非遵循简单的马氏体机制,而是通过离子扩散通过两种结构之间的液体状界面进行的,尽管存在巨大的能垒。虽然在这个类似液体的区域中阳离子是无序的,但卤化物离子保留了大量的空间相关性。

通过核磁共振揭示分级纳米孔碳的分子机制

分层纳米多孔碳(HNC)已被证明是用于吸附挥发性有机物(VOCs)和CO2的有效吸附剂,但目前,人们在HNC的分层结构调节、吸附机理以及HNC内部的相互作用等方面的研究还存在一些问题。美国加州大学伯克利分校Jeffrey A. Reimer,斯坦福大学崔屹教授报道了以木材为原料,采用含有K2CO3活化的微波诱导加热法合成了HNC。这项研究提供了通过NMR对液体/气体吸附物和HNC之间相互作用的新见解。