2020年1月27日曹國忠、邵元華、田建軍、李寶華、馬萬裡成果速遞

1. 東南大學章煒Chem. Soc. Rev.封面文章：仿生粘附水凝膠

作為一類獨特的高分子材料，水凝膠在從納米到微米各種尺度上具有相互連接的多孔網絡，展現出很多結構衍生特性，包括高表面積，可容納各種填充物，固有的柔韌性，可控制的力學性能以及優異的生物相容性。但由於其聚合物網絡中含有大量的水，形成界面層，阻止水凝膠與基材之間的表面接觸，導致其表面能降低，水凝膠的粘合性嚴重減弱。此外，水分子通過氫鍵與水凝膠中的粘合劑基團相互作用，大幅減少了水凝膠與固體材料之間的界面反應。當將水凝膠應用於大多數潮溼表面（人體，組織和生物膠）生物醫學工程中時，情況將更加複雜。

在潮溼條件下研發粘附水凝膠的技術挑戰類似於海洋生物所需要解決的水下粘附問題，它們可以在動態和湍流的水下環境中實現牢固的界面粘附。3,4-二羥基-L-苯丙氨酸（DOPA）是一種存在於其黏附蛋白中的生物大分子，已被證實能夠促進與基材在水中的粘附。因此作為啟發，使用仿生原理開發新型粘性水凝膠對揭示水下粘合機理具有極其重要的意義，同時亦為新型多功能平臺的設計打開了大門。

東南大學章煒副教授，孫正明教授，華中科技大學趙強教授，滑鐵盧大學趙博欣副教授與密西根州立大學Bruce P. Lee副教授等人總結了受貽貝啟發的粘合水凝膠材料，並介紹了三個相互關聯的主題，具體包括：水對水凝膠附著力的破壞機制；仿生大分子DOPA的水下粘附機理；以及粘附水凝膠在生物工程領域的應用。近年來，每個主題都引起了極大的興趣，涉及廣泛而深刻的跨學科挑戰。綜述概述了水凝膠材料在水下粘附中存在的技術困難，著重介紹了表徵水凝膠水下力學性能的相關參數，以及依此建立水凝膠材料的實驗設計和評估方法，並總結了仿生粘性水凝膠的獨特性能、合成方法和製備工藝，提出了水下粘附機理的新見解。

Figure 1.基於仿生原理的粘合水凝膠的設計，開發及其廣泛的應用領域。

Figure 2.水凝膠在空氣和水中的界面相互作用。

Figure 3.鄰苯二酚基團在水下粘合中的多種作用：（a）瞬時粘合，（b）凝聚形成，和（c）溼粘合劑固化。

Figure 4.通過（a）鄰苯二酚交聯，（b）含鄰苯二酚的共聚物的組裝或交聯以及（c）鄰苯二酚-金屬配位化學製備粘附水凝膠。

Figure 5. 用於生物組織粘合劑的仿生水凝膠:（a）具有自修復性能和增強細胞活性的皮膚粘合水凝膠；（b）修復胎膜的親水性粘附水凝膠；（c）基於鄰苯二酚-金屬離子絡合和導電PPy納米粒子用於開發可自愈的導電水凝膠，用於對心肌組織的粘合；（d）用於修復肝組織的可快速凝血水凝膠粘合劑。Figure 6. 用於藥物遞送的鄰苯二酚官能化水凝膠：（a）含有鄰苯二酚的水凝膠藥物載體表現出增強的黏膜粘附特性。（b）可逆的鄰苯二酚硼酸酯絡合物用於設計具有pH響應的藥物釋放水凝膠；（c）基於鄰苯二酚-金屬離子絡合的水凝膠膠囊。

這篇綜述詳細介紹了基於貽貝啟發的鄰苯二酚功能化粘性水凝膠材料的設計和開發研究進展。通過使用鄰苯二酚官能團設計水凝膠，其與各類表面之間的水下粘附性得以顯著加強，優異的內在特性使粘性水凝膠在各種生物醫學領域中得到了廣泛的應用，包括組織修復和再生，防汙和抗菌應用，藥物輸送以及細胞封裝和輸送等。該領域目前已取得了突破性進展，但仍存在關鍵性挑戰，亟待持續研究。 Wei Zhang, Ruixing Wang, ZhengMing Sun, Xiangwei Zhu,Qiang Zhao, Tengfei Zhang, Aleksander Cholewinski, Fut (Kuo) Yang, Boxin Zhao,Rattapol Pinnaratip, Pegah Kord Forooshanie and Bruce P. Lee, Catechol-functionalizedhydrogels: biomimetic design, adhesion mechanism, and biomedical applications, ChemicalSociety Reviews, 2020.DOI:10.1039/C9CS00285Ehttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00285e

2. Angew: 設計納米屏蔽隔膜抵禦鋰金屬枝晶

金屬鋰被視為新一代高比能二次電池中色最佳負極選擇。然而，在循環充放電過程中長期存在的鋰枝晶生長的問題有可能刺穿隔膜導致短路，這對於金屬鋰負極的實際應用十分不利。最近，南京大學的Bin Zhu與朱嘉教授等從防禦護甲中得到啟發設計了一種具有納米屏蔽效應的隔膜來抑制金屬鋰枝晶的生長。 研究人員通過機械分析和實驗數據發現，這種納米屏蔽的隔膜能夠通過降低電池內部產生的應力來有效抑制鋰枝晶對隔膜的滲透從而避免了鋰金屬電池發生內部短路。使用這種隔膜的Li//Li對稱電池能夠保持穩定鋰沉積超過110h，其壽命是普通隔膜對稱電池的五倍。這一新的形態和力學設計結合了理論和實驗結果，不僅為延長鋰金屬負極的壽命提供了一條新的途徑，而且也揭示了隔膜工程在各種電化學儲能裝置中的重要作用。

JieLiang, Qiyuan Chen, Xiangbiao Liao, Bin Zhu, Jia Zhu et al, A nano-shielddesign for separators to resist dendrites of lithium metal battery, AngewandteChemie International Edtion, 2020DOI: 10.1002/anie.201915440https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915440?af=R

3. AM綜述：可充電電池和鈣鈦礦太陽能電池中活性材料的表界面調控

對清潔可持續能源的需求不斷增長，推動了世界範圍內對能源轉換和儲能裝置的新型活性材料的設計和開發的巨大投資。設計不同材料之間的表界面是實現高能量密度電池和高效太陽能電池的最可靠和最佳研究途徑之一。金屬滷化物鈣鈦礦太陽能電池（PSC）是最有前途的光伏材料之一，其功率轉換效率（PCE）在不到10年內飆升至超過25%，這種進展主要是通過控制結晶度和表面/界面缺陷實現的。 可充電電池（RBs）通過電極和電解質之間的界面上的氧化還原反應，能夠可逆地轉換電能和化學能。有源組件之間的（電）化學和光電兼容性是優化功率轉換和能量存儲性能的基本設計考慮因素。基於此，北京科技大學田建軍和華盛頓大學曹國忠等人對這些器件中活性材料的界面和界面間的形成和功能進行了重點討論和關鍵分析，並描述了用於克服當前挑戰的前瞻性策略。這些策略主要圍繞著控制RBs和PSCs的各種界面的化學成分、缺陷、穩定性和鈍化。

ChaofengLiu, Jifeng Yuan, Robert Masse, Xiaoxiao Jia, Wenchao Bi, Zachary Neale, TingShen, Meng Xu, Meng Tian, Jiqi Zheng, Jianjun Tian, Guozhong Cao. Interphases,Interfaces, and Surfaces of Active Materials in Rechargeable Batteries andPerovskite Solar Cells. Advanced Materials. 2020DOI: 10.1002/adma.201905245https://doi.org/10.1002/adma.201905245

4. AM綜述：光電轉換材料

將分子光電轉換集成到各種材料中，為利用遠程光學刺激以高時空解析度控制其特性和功能提供了獨特的機會。由於在分子水平上利用幾何和電子的變化來調節宏觀和整體材料性能方面存在著根本性的挑戰，這些光響應系統的巨大潛力在很大程度上仍未被充分開發。 基於此，柏林洪堡大學Alexis Goulet‐Hanssens、Fabian Eisenreich、Stefan Hecht等人重點介紹了近十年來在光致發光材料領域取得的進展，在指出一些通用的設計原則之後，作者討論了集成光轉換單元的材料，其範圍從表面/界面的無定形設置集成到超分子、液晶和結晶相。最後，作者在結論中指出了一些潛在的未來方向，鑑於該領域令人興奮的最新成就，人們迫切期望光碟機動和光學可編程（交互）活性材料和系統的未來出現和進一步發展。

AlexisGoulet‐Hanssens,Fabian Eisenreich, Stefan Hecht. Enlightening Materials with Photoswitches.Advanced Materials. 2020DOI: 10.1002/adma.201905966https://doi.org/10.1002/adma.201905966

5. Adv. Sci.: 22%效率！乙酸輔助高效鈣鈦礦太陽能電池的製備

新南威爾斯大學Anita W. Y. Ho‐Baillie和蘇州大學馬萬裡團隊研究發現，乙酸（Ac）用作製備具有優異光電性能的鈣鈦礦薄膜的反溶劑。研究表明，Ac不僅可以減少鈣鈦礦膜的粗糙度和殘留的PbI2，而且富含電子的羰基產還可以生鈍化作用。在0.159 cm2面積上，對Cs0.05FA0.80MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3的器件效率為22.0％，對Cs0.05FA0.90MA0.05PbPb(I0.95Br0.05)3的器件效率為23.0％。

AceticAcid Assisted Crystallization Strategy for High Efficiency and Long‐Term Stable Perovskite SolarCell, Advanced Science, 2020https://doi.org/10.1002/advs.201903368

6. ACS Nano: 用於高比能鋰電池的石墨基納米層

鋰金屬負極憑藉其超高的理論比容量（3860mAh/g）而在高比能電池的構建中備受關注。最近，清華大學深圳研究院的李寶華教授報導發現在鋰化的多孔石墨薄層（PLGL）上進行金屬鋰的沉積能夠有效抑制死鋰的形成。他們採用可工業化擴大生產的方法將親鋰的碳層修飾在疏鋰的多孔石墨薄層表面。 PLGL更高的脫鋰電位能夠確保其在自身脫鋰之前就能完成所沉積金屬鋰的剝離，因此Li/Cu電池在2mA/cm2的電流密度和2mAh/cm2的容量下的平均庫侖效率高達98.5%。即便在4mA/cm2的高電流密度和4mAh/cm2的高容量下，Li/Cu電池在普通碳酸酯電解液中的庫倫效率也達到了96.2%。

YuanmingLiu, Baohua Li et al, Basal Nanosuit of Graphite for High-Energy Hybrid LiBatteries, ACS Nano, 2020DOI: 10.1021/acsnano.9b07706https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07706

7. AFM: 用於可穿戴器件的3D列印高載量Li-S電池

可穿戴電子設備是消費電子領域的新寵，而儲能設備是其中的重要組成部分。近日，南京科技大學的Wu Lei和Qingli Hao以及南京航空航天大學的Xiaogang Zhang等首次採用3D列印技術設計並生產了一種柔性可穿戴的Li-S手鐲電池。這種手鐲電池可以給可穿戴設備提供能量支持。3D列印技術以一種簡單高效的方式為電極厚度的精準設計提供了高效解決方案。 這種3D列印的電極內部具有交聯互通的快速離子電子傳輸通道，在活性物質載量高達10.2mg/cm2的情況下循環500周後的放電比容量仍然有505.4mAh/g。研究人員通過將這種Li-S手鐲電池佩戴在手腕上並向紅色二極體供能而證實了該技術的可實用性。

ChenglongChen, Wu Lei, Qingli Hao, Xiaogang Zhang et al, 3D Printed High‐Loading Lithium‐Sulfur Battery Toward Wearable Energy Storage, Advanced FunctionalMaterials, 2020DOI: 10.1002/adfm.201909469https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909469?af=R

8. Anal. Chem.：富勒烯修飾的金納米粒子用於電化學發光檢測蛋白質

南京醫科大學楊笛教授和北京大學邵元華教授合作構建了一種富勒烯修飾的金納米粒子fullerenols@AuNPs，並發現富勒烯能夠增強魯米諾與過氧化氫系統,的電化學發光信號（ECL）。實驗將製備的fullerenols@AuNPs作為一種無標記的免疫傳感器用於檢測人類心臟病生物標誌物心肌肌鈣蛋白I（cTnI）。隨後，實驗也利用原位反應構建了銅粒子包覆的fullerenols@AuNPs，並以其為基礎開發了一種新型的電化學剝離化學發光(ESCL)方法用於開發檢測cTnI和免疫球蛋白，該方法的敏感度比之前的策略要高20倍左右。 在ESCL檢測過程中，Cu2+會從Cu@fullerenols@AuNPs中被剝離進而使得ECL信號顯著增加。同時由於fullerenols@AuNPs和Cu2+具有良好的導電性，可以促進H2O2的分解以生成活性氧(ROSs)，從而加速ECL過程。研究結果表明，該實驗開發的兩種免疫傳感器對cTnI和IgG均具有很高的檢測敏感性和選擇性。

YifanDong, Di Yang, Yuanhua Shao. et al. Electrochemiluminescent Detection ofProteins Based on Fullerenols Modified Gold Nanoparticles and TripleAmplification Approaches. Analytical Chemistry. 2020DOI:10.1021/acs.analchem.9b04087https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.9b04087

分享來源科研動態（微信ID：likesci）