新型诊疗一体化纳米平台,联合放化疗,提高肿瘤放疗疗效

恶性肿瘤是当今威胁人类健康的重大疾病,而放疗和化疗是恶行肿瘤治疗的常规方法。在放疗中,电离辐射能够局部照射肿瘤,产生氧自由基使DNA链发生断裂,引起癌细胞凋亡,实现肿瘤病灶的局部控制。在化疗中,主要通过化学药物,杀死局部肿瘤细胞,消灭可能或已经发生远处转移的癌细胞。因此放射治疗和化疗的联合,既提高局部控制率又降低转移风险。二者协同能够延迟肿瘤的转移和复发。诊疗一体化纳米平台不仅能够增强肿瘤治疗效果,还能对肿瘤的进行早期检测和实时监控,以及评价治疗后的效果。 近期,苏州大学刘庄教授(点击查看介绍)团队发展简单、一步法技术,制备了氧化钽空心介孔纳米球。该氧化钽纳米球的空腔能够负载抗癌药物-羟基喜树碱(SN-38),提高了该疏水性药物的水溶性,并能将该药物转运至肿瘤部位,实现对肿瘤放化学治疗。重要的是,氧化钽空心介孔纳米球可以通过无螯合剂的标记技术,标记上Fe3+ 和99mTc, 赋予该纳米平台MRI和SPECT造影功能,实现对肿瘤的显像作用。在肿瘤的放疗过程中,氧化钽重作为金介质能够汇聚X-射线,使其能量沉积于肿瘤部位,增强X-射线对肿瘤的杀伤,增强放射治疗。在细胞动力学周期中,抗癌药物 SN-38,主要杀死处于细胞周期S期的癌细胞,同时将癌细胞周期捕获到G1期和G2/M期。而放疗主要杀伤癌细胞作用点为G1、G2/M期,而对S期癌细胞不敏感。从而该纳米平台实现了SN-38的化疗与放疗的协同增强的疗效。该研究成果发表在《先进功能材料》杂志上(Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 8243-8254),第一作者是宋国胜博士。该研究工作得到了国家自然科学基金委等计划的大力支持。该论文作者为:Guosheng Song, Yu Chao, Yuyan Chen, Chao Liang, Xuan Yi, Guangbao Yang, Kai Yang, Liang Cheng, Qiao Zhang, Zhuang Liu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):All-in-One Theranostic Nanoplatform Based on Hollow TaOx for Chelator-Free Labeling Imaging, Drug Delivery, and Synergistically Enhanced RadiotherapyAdv. Funct. Mater., 2016, 26, 8243-8254, DOI: 10.1002/adfm.201603845刘庄教授简介刘庄,苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)教授,博士生导师。学习工作简历:•2004年北京大学化学与分子工程学院获理学学士学位•2008年美国斯坦福大学(Stanford University)获得化学博士学位•2008年至2009年在斯坦福大学化学系以及医学院从事博士后研究•2009年6月加入苏州大学功能纳米与软物质研究院,被聘为教授,博士生导师图片来源:苏州大学学术成果:在纳米生物医学材料与肿瘤纳米技术领域从事研究。2005年以来发表学术论文170余篇,论文总引用已超过20000次,SCI H-index为67。获国家杰出青年基金(2015)、优秀青年基金(2012)、和江苏省杰出青年基金(2013)资助,作为课题负责人承担科技部973项目子课题一项。2014、2015两年入选爱斯维尔出版社(Elsevier)发布的“中国高被引用学者榜单(材料科学)”,2015年入选美国汤森路透集团(Thomson Reuters)公布的“全球高被引科学家名单”(Highly Cited Researchers 2015)(化学、材料)。获得奖项:•2015年受邀成为“英国皇家化学会会士”(Fellow of the Royal Society of Chemistry)•2015年入选中组部“青年拔尖人才支持计划”•2014年获得“纳米化学新锐奖”•2014年获得“霍英东青年教师奖”•2014年获得“中国化学会青年化学奖”•2013年入选国家百千万人才工程•2013年在新加坡15th Asian Chemistry Congress获'Asian Rising Stars'•2012年获苏州大学“周氏教育科研奖”科研类优异奖•2012年获SCOPUS“寻找青年科学之星”银奖(材料类)•2011年获国家人力资源和社会保障部“高层次留学人才回国”资助•2011年入选江苏省“333高层次人才培养计划”第二层次•2008年获MRS Silver Award(美国材料学会银奖)•2008年获中国政府优秀自费留学生奖学金•2006年获Stanford Graduate Fellowship学术期刊兼职:•Associate Editor, Biomaterials (2014-)•Editorial Board Member, Nano Research (2014-)•Editorial Board Member, Scientific Reports (NPG, 2013-)•Editorial Board Member, American Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging (2012- )•Guest Editor, Nanoscale (2015)•Guest Editor, Carbon (2015)•Guest Editor, Advanced Healthcare Materials (2014)•Guest Editor, Theranostics (2012)http://www.x-mol.com/university/faculty/18393http://nano.suda.edu.cn/lz/lx/js.htmlX-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

用于水系混合超电容的超高容量多级介孔NiO纳米阵列

在各种电化学储能体系中,水系电池和水系超级电容器由于具有成本低廉、安全性高等特点而备受关注。在实际应用中,上述两种储能器件各自存在不同的优势和弊端:对于水系电池,由于其具有多电子转移的氧化还原反应特性,通常表现出比水系超级电容器更高的能量密度,但其功率密度和稳定性则表现欠佳;对于水系超级电容器,其储能过程基于双电层吸附原理,所以往往展现出较高的功率密度,可进行快速充放电,但其能量密度较低。将两种储能器件结合得到的水系混合超级电容器结合了两者的优点,并避免了其缺点,成为发展高能量密度、高功率密度、高稳定性以及高安全性水系储能器件的重要手段。然而,高效电极材料的设计合成仍然是发展高性能水系混合超级电容器的主要挑战。过渡金属氧化物法拉第电容材料由于具有较高的理论容量,在储能领域备受关注。但是其电子传输速率低、活性物质利用率低以及稳定性较差等缺点限制了其广泛的实际应用。对金属氧化物进行多级及介孔结构的设计是解决上述问题、发展高效法拉第电容材料的有效途径。近期,北京化工大学刘军枫教授(点击查看介绍)课题组,设计合成了一种多级介孔NiO阵列电极材料(NiO-HMAs)并用于水相混合超电容中。多级介孔NiO阵列通过一种自生成-牺牲模板法制备,具体包括Zn2+和Ni2+在水热环境下的共沉积形成Zn/Ni氢氧化物、煅烧使其转变为ZnO/NiO混合金属氧化物、碱性刻蚀去除ZnO模板形成介孔结构等过程。作为法拉第电容电极,NiO-HMAs表现出超高的电化学比容量(3114 F g-1, 5 mA cm-2)以及良好的循环稳定性能(4000个循环后容量保持87.6%)。该材料的电容值超过了NiO的理论法拉第电容值 (2935 F g-1),主要由于多级介孔阵列结构的设计使得活性材料达到接近100%的利用率,从而使电极的法拉第电容和双电层电容都大大提高。将其与石墨烯气凝胶材料组装成混合电容器,获得了较高的能量密度(67.0 W h kg-1,320 W kg-1)和循环稳定性(6000个循环后容量保持89.6%)。这种自生成-牺牲模板法可以扩展到其他多级多孔金属氧化物电极材料的设计合成当中,以实现活性材料利用率的最大化和电化学性能的最大化。这一成果近期发表在Nano Energy上,文章的第一作者是北京化工大学15级博士研究生孟格,通讯作者为刘军枫教授。该论文作者为:Ge Meng, Qiu Yang, Xiaochao Wu, Pengbo Wan, Yaping Li, Xiaodong Lei, Xiaoming Sun, and Junfeng Liu.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):Hierarchical mesoporous NiO nanoarrays with ultrahigh capacitance for aqueous hybrid supercapacitorNano Energy, 2016, 30, 831-839, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.012刘军枫教授简介刘军枫,女,教授,博士生导师,于 2002 年和 2007 年在清华大学化学系获得理学学士和理学博士学位。2008年起就职于北京化工大学理学院,化工资源有效利用国家重点实验室。主要从事无机功能纳米材料的制备及其在催化和能源领域中的应用研究。目前在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Mater., Chem. Commun., Nano Energy等刊物发表学术论文 30 余篇,他引 2000余次。入选2012年北京市科技新星、2012年教育部“新世纪优秀人才支持计划”。http://www.x-mol.com/university/faculty/8740http://sci.buct.edu.cn/szdw/jsml/wjhxx1/55903.htmX-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

北大彭练矛-张志勇课题组Science:5纳米碳纳米管CMOS器件,晶体管性能推至理论极限

前言:巨头英特尔(Intel)创始人之一Gordon Moore在1965年提出了业界著名的摩尔定律(Moore's Law),大意为:集成电路上的元器件(例如晶体管)数目,每隔月18个月至两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。这一定律可不是物理学或者自然定律,而是Moore对半导体工业发展的观察、统计和预测。不过,随着硅基晶体管材料和制造工艺逐渐接近理论极限,集成电路的性能已经不能向过去那样快速提高。科学家们希望通过新材料、新结构来解决这些问题,例如UC Berkeley的Ali Javey教授课题组采用二硫化钼(MoS2)材料制备出栅极长度仅有“1纳米”的晶体管,使用单壁碳纳米管作栅极电极(Science, 2016, 354, 99-102,点击阅读详细)。最近,北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组造出了5纳米碳纳米管CMOS器件,将晶体管性能推至理论极限(Science, 2017, 355, 271-276)。下面就为大家介绍这篇好文。集成电路发展的基本方式在于晶体管的尺寸缩减,从而提高性能和集成度,得到更快、功能更复杂的芯片。目前主流互补金属氧化物半导体(CMOS)技术即将发展到10纳米的技术节点,后续发展将受到来自物理规律和制造成本的限制,很难继续提升,“摩尔定律”可能面临终结。20多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,以期替代硅基CMOS技术。但是到目前为止,并没有机构能够实现10纳米的新型CMOS器件,而且也没有新型器件能够在性能上真正超越最好的硅基CMOS器件。碳纳米管被认为是构建亚10纳米晶体管的理想材料,其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力,更容易克服短沟道效应;超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。理论研究表明碳纳米管器件相对于硅基器件来说在速度和功耗上具有5-10倍的优势,有望满足“后摩尔时代”集成电路的发展需求。但是已实现的最小碳纳米管CMOS器件仅停滞在20纳米栅长(2014年IBM),而且性能远远低于预期。北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究,发展了一整套高性能碳纳米管CMOS晶体管的无掺杂制备方法,通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。近年来,该课题组通过优化器件结构和制备工艺,首次实现了栅长为10纳米的碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管(对应于5纳米技术节点),p型和n型器件的亚阈值摆幅(subthreshold swing, SS)均为70 mV/DEC。器件性能不仅远远超过已发表的所有碳纳米管器件,并且在更低的工作电压(0.4 V)下,p型和n型晶体管性能均超过了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V电压下工作的性能(Intel公司的14纳米节点)。特别是碳纳米管CMOS晶体管本征门延时仅为0.062 ps,相当于14纳米硅基CMOS器件(0.22 ps)的1/3(图1)。图 1:10纳米栅长碳纳米管CMOS器件。A: n型和p型器件截面图和栅堆垛层截面图;B-C: p型和n型碳管器件的转移曲线以及与硅基CMOS器件(Intel, 14 nm, 22 nm)的对比。D:碳管器件的本征门延时与14 nm硅基CMOS对比。课题组进一步探索5纳米栅长(对应3纳米技术节点)的碳纳米管晶体管。采用常规结构制备的栅长为5纳米的碳管晶体管容易遭受短沟道效应和源漏直接隧穿电流影响,即使采用超薄的高k栅介质(等效氧化层厚度0.8纳米),器件也不能有效地关断,SS一般大于100 mV/Dec。课题组采用石墨烯作为碳纳米管晶体管的源漏接触,有效地抑制了短沟道效应和源漏直接隧穿,从而制备出了5纳米栅长的高性能碳纳米管晶体管,器件亚阈值摆幅达到73 mV/Dec。图2:5纳米栅长碳管晶体管。A:采用金属接触的碳管晶体管截面TEM图,以及采用石墨烯作为接触的碳管晶体管SEM图;B:石墨烯作为接触的碳管晶体管示意图;C:栅长为5纳米的碳管晶体管的转移曲线。在此基础上,课题组全面比较了碳纳米管CMOS器件的优势和性能潜力。研究表明,与相同栅长的硅基CMOS器件相比,碳纳米管CMOS器件具有10倍左右的速度和动态功耗(能耗延时积,EDP)综合优势,以及更好的可缩减性。对实验数据分析表明,5纳米栅长的碳管器件开关转换仅有约1个电子参与,并且门延时达到了42 fs,非常接近二进制电子开关器件的极限(40 fs)——该极限由海森堡测不准原理和香农-冯诺依曼-郎道尔定律(SNL)决定。这表明5纳米栅长的碳纳米管晶体管已经接近电子开关的物理极限。图3: 碳纳米管CMOS器件与传统半导体器件的比较。A: 基于碳管阵列的场效应晶体管结构示意图;B-D:碳管CMOS器件(蓝色、红色和橄榄色的星号)与传统材料晶体管的亚阈值摆幅(SS),本征门延时和能量延时积的比较。课题组还研究了接触尺寸缩减对器件性能的影响,探索了器件整体尺寸的缩减,将碳纳米管器件的接触电极长度缩减到25纳米,在保证器件性能的前提下,实现了整体尺寸为60纳米的碳纳米管晶体管,并且成功演示了整体长度为240 nm的碳管CMOS反相器,这是目前所实现的最小的纳米反相器电路。研究成果表明在10纳米以下技术节点,碳纳米管CMOS器件相对于硅基CMOS器件具有明显优势,且有望达到由测不准原理和热力学定律决定的二进制电子开关的性能极限。这表明碳纳米管电子学具有巨大的潜力,为2020年之后的集成电路技术的发展和选择提供了重要的参考。该工作2017年1月20日在线发表于顶级期刊Science,北京大学信息科学技术学院博士后邱晨光是第一作者,张志勇教授和彭练矛教授为共同通讯作者。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会优秀青年基金、创新群体和面上项目资助,同时也得到北京市科学技术委员会等单位的资助。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):Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengthsScience, 2017, 355, 271-276, DOI: 10.1126/science.aaj1628新闻报道:http://pkunews.pku.edu.cn/xwzh/2017-01/20/content_296628.htmX-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

具有分级结构的BaWO4:Eu3+纳米线的首次合成及应用

随着全球变暖的日益严重,太阳能作为一种清洁的可再生能源已引起全世界的注意。染料敏化太阳能电池(DSSC)凭借其成本低、相对较高的效率已经成为可再生能源研究和发展领域最有前景的太阳能电池之一。根据散射理论,当颗粒的粒径与光的波长相当时,光会在电池光阳极薄膜内部发生多次反射、折射、衍射以及吸收,从而提高了染料捕获光的能力,增强了电池的光生电流和光电转换效率。黑龙江大学王国凤(点击查看介绍)课题组首次合成了具有分级结构的BaWO4:Eu3+纳米线。值得注意的是,该纳米线的直径和长度随着Eu3+离子浓度的增加而变化。BaWO4:Eu3+纳米线由许多纳米片组装而成,其生长方向延{112}方向。BaWO4:Eu3+纳米线不仅具有优异的下转换发光性能,而且可以作为散射层应用于染料敏化太阳能电池光阳极。与纯TiO2电池相比,TiO2-BaWO4:Eu3+复合电池的效率提高了15%。这一成果近期发表在《Chemical Communications》上,文章的第一作者是黑龙江大学硕士研究生王玉萍。该论文作者为:Yuping Wang, Yang Qu, Kai Pan, Guofeng Wang* and Yadong Li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):Enhanced photoelectric conversion efficiency of dye sensitized solar cells via the incorporation of one dimensional luminescent BaWO4:Eu3+ nanowiresChem. Commun., 2016, 52, 11124-11126, DOI: 10.1039/c6cc06286e王国凤博士简介王国凤,黑龙江大学教授,博士生导师。2008年于吉林大学取得博士学位,2009年至2010年在清华大学化学系做博士后研究,2011年1月起就职于黑龙江大学。主要从事稀土纳米功能材料的合成及性能研究。包括稀土纳米荧光材料、染料敏化太阳能电池光阳极、光催化及电化学几个方面的研究。尤其在稀土纳米发光材料的设计合成、荧光性质及其在电池和催化等领域的应用方面取得了一些有意义的研究成果。作为第一作者或通讯作者在Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Research、Chem. Commun.、Chem. Eur. J.、J. Phys. Chem. C 和J. Mater. Chem.等杂志上发表论文六十余篇。获授权发明专利7项,撰写独著一部。2011年获教育部新世纪优秀人才、清华大学优秀博士后,2013年获黑龙江省青年科技奖。http://www.x-mol.com/university/faculty/35074X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

纳米尺度高能电子束与压电效应的完美协作

具有压电效应的纳米晶体已被广泛应用于可植入生物器件、可穿戴设备、自发电系统等多个领域,它们通过将材料形变时产生的机械能转变为电能来实现能量的转化、收集与利用。然而,由于单晶压电纳米晶体较难制备,且更难实时观察它们的形变过程,因此目前对单晶压电纳米晶体形变机理的探究仍是空白。近日,美国普林斯顿大学的吴凡博士与导师姚楠教授(点击查看介绍)利用透射电镜(TEM)中的高能电子束和铌镁酸铅晶体(PMN-PT新型压电材料)本身压电效应的相互协作,攻克了这一难题。众所周知,化石燃料不仅濒临枯竭,而且化石能源的开采和燃烧还带来了诸多严重的环境问题,比如酸雨、大气污染、全球变暖等等。因此,尽快找到新的可替代清洁能源刻不容缓。压电材料能将生活中无处不在的机械能(比如跑步、走路、打字、心脏跳动、血液循环等人体活动时产生的能量)转变为电能,因此诸多小型器件(比如医用可植入设备、可穿戴器件、微机电系统等)已广泛应用压电纳米晶体作为发电材料。以往在研究纳米晶体的形变时,唯一的办法就是利用特制的原位透射电镜样品台对样品进行形变,并实时观测,可这一方法有诸多严重问题,比如费用高昂、设备复杂、难以精确控制单个纳米晶粒的形变程度与方向、形变量过大等等。普林斯顿大学团队开创性地将铌镁酸铅(PMN-PT)晶体优越的压电性能和透射电镜(TEM)的高能量电子束结合在一起,巧妙的解决了这个难题。由于铌镁酸铅纳米晶体不导电,当透射电镜中的高能电子束(200 KeV)照射到铌镁酸铅晶体上时,电子就会无规则、不均匀地积聚在晶粒表面,形成局部电势差。又由于铌镁酸铅晶体的超高压电系数,能将电势差转化为内部应力,因此被高能电子束照射的铌镁酸铅晶粒就会受力发生形变。这样,只要在透射电镜中聚焦电子束,照射在恰好正轴的铌镁酸铅纳米晶粒上,就能在原子尺度上实时观察压电纳米晶粒的形变,并探究其机理。这一方法不仅规避了原位TEM样品台繁琐的设备、高昂的成本,而且实现了对单个纳米晶粒的局部形变及实时观测,方便又高效。利用这一套方法,吴凡博士成功观测到了铌镁酸铅纳米晶粒形变过程中栾晶、层错、位错的产生、演变及消亡(见原文,文末链接)。其中不乏五次栾晶这样的复杂缺陷(如下图所示)。这些缺陷演变过程的实时观测填补了压电纳米晶领域形变机理研究的空白。值得注意的是,该研究中的铌镁酸铅纳米晶粒也是在透射电镜中制备的(如下图)。首先,通过溶胶凝胶法制得单晶铌镁酸铅纳米带,然后将纳米带均匀沉积到透射电镜样品台上,并用聚焦高能电子束照射单根纳米带。这样就能激发铌镁酸铅纳米晶晶粒形核并析出。随着电子束的不断轰击,铌镁酸铅纳米晶粒就从母体纳米带中不断析出并积聚,最终形成稳定的纳米晶体颗粒。下图中的连续原位透射电镜图片完整地展现了这一过程。若在铌镁酸铅纳米晶粒逐渐稳定后继续用电子束轰击,则引发了前文所述的晶粒形变以及晶粒内部的缺陷产生、演变和消亡。这一成果近期发表在国际能源类顶级期刊《Nano Energy》上。该论文作者为:Fan Wu, Nan Yao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):In-situ synthesis and defect evolution of single-crystal piezoelectric nanoparticlesNano Energy, 2016, 28, 195-205, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.042导师介绍姚楠教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35072

CO2辅助制备非晶氧化钼纳米片及其独特的等离子共振特性

二维材料是目前研究的热点,但各类研究多聚焦于二维晶体材料,直到最近人们才开始探寻二维非晶材料的性质及其制备。相对二维晶体材料,二维非晶材料的构建规则尚不明朗,缺少可靠制备方法,因此探究合理的制备路径,开展性质及应用研究,是一个具有挑战性的工作。近日,郑州大学许群教授(点击查看介绍)课题组围绕二维非晶材料开展了系列研究,该课题组在对二维非晶氧化钼纳米材料的性质研究中,揭示出其具有独特、可调控的表面等离子体共振特性。以往人们发现二维半导体和贵金属纳米材料体系中存在等离子共振特性,这种特性在医学成像、太阳能利用、生物分子检测、光热治疗等领域具有良好的应用前景。许群课题组所制备的二维非晶氧化钼纳米片不但能够实现可见光到近红外波段的增强光吸收,并且通过控制掺杂程度实现了等离子体共振的可控调节;研究发现,二维非晶氧化钼表面与牛血清蛋白分子存在相互作用,检测信号与生物分子浓度之间存在最优值定量关系,这个发现将大大提高检测低浓度分子灵敏度的可能性,同时拓展二维非晶材料的应用。相关工作已在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.201610708),并作为“Very Important Paper(VIP)”和“featured article”进行重点报道。该论文作者为:Wei Liu, Qun Xu, Weili Cui, Chuanhui Zhu, Yuhang Qi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):CO2-Assisted Fabrication of Two-Dimensional Amorphous Molybdenum Oxide Nanosheets for Enhanced Plasmon ResonancesAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201610708导师介绍许群教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35064X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

蛋白模拟仿生合成Gd:CuS纳米诊疗剂用于肿瘤光声/MR双模成像及其引导下的光热治疗

近年来以纳米光热转换材料介导的光热治疗作为一种新兴的癌症治疗方法,因其疗效明显、毒副作用较常规放、化疗小,而备受国内外研究者的关注。然而目前所报道的各种纳米光热剂多数采用传统的化学合成方法,如高温油相热分解法、水热法以及共沉淀法等方法制备而成,所得的纳米颗粒具有良好的光热转换性质,但相对繁琐的制备过程、苛刻的实验条件,以及生物相容性较差往往会限制其进一步的生物医学应用。为解决这一难题,天津大学常津教授团队和同济大学张兵波副研究员研究团队紧密合作,采用来源丰富的牛血清白蛋白(BSA)为生物模板,在生理温度(37 ℃)下简单快速地制备出了高质量GdCuS@BSA纳米颗粒。该纳米颗粒具有优越的亲水性、生物相容性,显著的光热转化效率,以及优异的光稳定性等特点。钆离子的引入使纳米颗粒获得核磁共振成像功能,并与CuS的光声成像功能相结合实现对肿瘤的精准影像学诊断。超小尺寸(小于10 nm)有利于该颗粒瘤内渗透。体内外光热治疗等一系列实验结果表明该颗粒可在近红外光照射下产生较高热量,实现对肿瘤的有效消融。最后体内外毒性和体内分布实验结果表明该GdCuS纳米颗粒具有良好的生物相容性。该研究工作重点强调了基于蛋白模拟仿生合成纳米颗粒这一策略的绿色、操作简易、可重复性强、易批量化制备等优势。本研究为纳米医学探针的制备提供了新思路和新方法。该研究成果发表在纳米领域知名刊物ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.6b05760)。该项研究得到了国家自然科学基金以及上海市科委重点项目的大力支持。该论文作者为:Weitao Yang, Weisheng Guo, Wenjun Le, Guoxian Lv, Fuhe Zhang, Lei Shi, Xiuli Wang, Jun Wang, Sheng Wang, Jin Chang, Bingbo Zhang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):Albumin-Bioinspired Gd:CuS Nanotheranostic Agent for In Vivo Photoacoustic/Magnetic Resonance Imaging-Guided Tumor-Targeted Photothermal TherapyACS Nano, 2016, 10, 10245-10257, DOI: 10.1021/acsnano.6b05760X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

表面等离子共振石墨烯光电器件

电子在石墨烯晶格的运动速度可以达到光速1/300,石墨烯也兼具透明、稳定和费米能级可调特性,因此石墨烯/半导体异质光电器件获得广泛关注。石墨烯/半导体异质器件耗尽层靠近表面,物理上利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振物理可以显著上提高石墨烯光电器件性能。浙江大学林时胜(点击查看介绍)课题组发现在P型氮化镓表面放置石墨烯可直接发光二极管,正向和反向通电下均可发光(图1)。在氮化镓表面旋涂一层厦门大学李剑锋(点击查看介绍)课题组提供的银纳米颗粒,然后再放置一层石墨烯,利用银纳米颗粒的等离子场增强效应可将器件发光亮度提高一倍以上,当石墨烯接正压时,器件发出565nm附近的黄绿光;当石墨烯接负电压时,器件发出395nm附近的纯净蓝光。此石墨烯/银纳米颗粒/氮化镓发光二极管工艺简单,成本低廉,相应成果发表在国际知名期刊《Nano Energy》上[1]。图1:(a)石墨烯/银纳米颗粒/氮化镓发光二极管示意图 (b)石墨烯加正电压时的电致发光谱 (c)石墨烯加负电压时的电致发光谱太阳能电池和发光二极管一样,都是重要的光电器件。在发光二极管研究基础上,林时胜课题组率先提出一种简单工艺的金纳米颗粒/石墨烯/砷化镓太阳能电池,与厦门大学李剑锋课题组合作,在石墨烯异质器件表面简单旋涂一层金纳米颗粒后,利用等离子体共振聚焦太阳能光场在石墨烯表面,将太阳能电池的效率提升了30%,进一步优化后可将效率提升到16.2%,并且器件保持100小时光照后效率也没有下降(图2)。这一成果近期发表在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上[2]。图2:(a)石墨烯/砷化镓太阳能电池的结构图(b)太阳能电池光照稳定性这两项研究为石墨烯太阳能电池效率的提升和石墨烯基发光二极管设计指明了新的方向,相关科学原理可以拓展到其他二维材料/半导体异质光电器件。1. 该论文作者为:Zhiqian Wu, Yanghua Lu, Wenli Xu, Yuejiao Zhang, Jianfeng Li, Shisheng Lin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):Surface plasmon enhanced graphene/p-GaN heterostructure light-emitting-diode by Ag nano-particlesNano Energy, 2016, 30, 362-367, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.10.0282. 该论文作者为:Shi-Sheng Lin, Zhi-Qian Wu, Xiao-Qiang Li, Yue-Jiao Zhang, Sheng-Jiao Zhang, Peng Wang, Rajapandiyan Panneerselvam, Jian-Feng Li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):Stable 16.2% Efficient Surface Plasmon-Enhanced Graphene/GaAs Heterostructure Solar CellAdv. Energy Mater., 2016, 6, 1600822, DOI: 10.1002/aenm.201600822导师介绍林时胜副教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35056李剑锋教授http://www.x-mol.com/university/faculty/14062X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

基于工业粗硅再利用的锂离子电池硅负极研究

众所周知,为了应对电子便携设备及电动汽车的发展需求,研究并发展高性能的锂离子电池尤为关键。而在锂离子电池的研究中,开发新的电极材料又成为提高电池性能的重中之重。就负极而言,硅因为其巨大的储量和超高的理论比容量(4200 mAh/g,相当于现在商业化石墨负极的十倍左右)成为了世界各研究组的研究重点,被认为是下一代最理想的负极材料之一。然而硅作为负极其问题也很严重,如在电池循环中,硅会经历4倍左右的体积膨胀变化从而导致电极容易粉碎化,电池失效等,所以限制了其性能的提高。近年来,随着纳米材料制备技术的发展,一批研究者制备合成出了不同结构的纳米硅负极,例如:硅纳米线、硅纳米管、多孔硅纳米颗粒等,而其中多孔硅纳米颗粒因为其最适合传统的涂覆工艺而成为了硅负极商业化的有力竞争者。但是现在使用的一些多孔硅纳米颗粒的合成制备工艺较为复杂,成本较高,能耗较大,这些严重制约了其大规模生产和应用。纳米多孔硅制备示意图南京大学朱嘉教授(点击查看介绍)课题组着眼于工业生产中的低纯度硅源(金属硅:纯度为99%),通过简单的球磨、退火(歧化反应)和酸处理的工艺,最终得到多孔硅颗粒。并且通过控制实验条件,能够精确调控多孔硅的孔隙率(从17%到70%)。同时多孔化硅颗粒运用在锂离子电池的负极方面,能够缓解其在嵌锂时发生的体积膨胀,获得了很好的循环及倍率性能。整个过程简便且大大降低了成本,为大规模生产硅颗粒,制备硅负极提供了新思路,并且也为硅在光伏,热电领域的制备合成提供了新方法。这一成果近期发表在《Nano Letters》上,该论文的通讯作者是南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授,第一作者是匡亚明学院理科强化班本科生宗麟奇。该研究成果得到了国家重点基础研究项目,国家自然科学基金创新群体项目和江苏省优势学科建设项目资助。朱嘉教授课题组自成立以来,围绕着工业粗硅的再利用展开了一系列研究,结果已陆续发表在PNAS、Nano Letters等国际主流期刊上,受到业内的广泛关注。该论文作者为:Linqi Zong, Yan Jin, Chang Liu, Bin Zhu, Xiaozhen Hu, Zhenda Lu, and Jia Zhu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):Precise Perforation and Scalable Production of Si Particles from Low Grade Sources for High-Performance Lithium Ion Battery AnodesNano Lett., 2016, 16, 7210-7215, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03567朱嘉教授简介朱嘉,1982年2月生,2010年获斯坦福大学工学博士学位。2013年入选“青年千人计划”。现为南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。2015年作为首席科学家主持国家重点基础研究计划项目(青年专题);2016年入选首届江苏“双创英才”,中国侨界贡献奖创新人才奖,麻省理工学院技术评论“全球科技创新人物”(MIT Technology Review TR 35 Award,点击阅读相关)。朱嘉教授研究方向为新型能源转换材料与器件,在低维材料光学、热学调控,微纳结构太阳能光-热-电转换,高效率太阳能海水淡化以及低成本硅再利用方面开展了系统性的研究工作。已在Nature Nanotech, Nature Materials, Nature Photonics, Science Advances, PNAS, Nano Letters,Advanced  Materials 等高影响力学术期刊发表了40余篇论文,被SCI引用2000余次。3篇论文被选为Nature Nanotech, Nano Letters, Advanced Energy Materials等杂志的内/外封面。出版英文书籍一章,申请国际专利5项。部分研究成果被Science、Nature杂志、MIT Technology Review杂志、New Scientist等国际科学媒体广泛报道,在国际产生广泛的影响,受邀在政府,国际会议及世界著名学府做过40多场专题报告,同时是30多个国际学术期刊的特约审稿人。http://www.x-mol.com/university/faculty/22073X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

原位电镜实时观察锂离子嵌入的微小形变过程

锂离子电池作为当前最常用的储能元件在手机和笔记本电脑等便携电子设备中应用广泛。深入理解电池充放电过程中电极材料存储并释放能量的机理对于提高电池宏观性能和寿命及未来设计电动汽车和智能电网等高功率应用的材料起到了至关重要的作用。我们知道,在锂电池充放电过程中,随着锂离子在正负极之间的迁移,材料的结构和化学成分会发生相应的改变,且这些变化与电池宏观性能密切相关。然而,这些材料的局域结构变化通常发生在原子至纳米尺度上,而难以被X射线等结构研究方法探测到。近年来研究者们利用原位透射电子显微镜(in situ TEM)技术对锂离子电池材料进行了大量的研究,特别是对于合金化型(alloying)负极材料(如Si,Sn等,Science, 2010, 330, 1515;Adv. Mater., 2013, 25, 4966)和转化型(conversion)负极材料(如过渡金属氧化物、氟化物等,Nano Lett., 2015, 15, 1437;ACS Nano, 2014, 8, 7251),因为这类材料在与锂离子反应后会产生明显的结构及形貌的改变,进而易于被我们所观察到。然而,对于更具实用价值的嵌入型材料(如LFP、NMC、NCA等),却鲜有原位电镜方面的研究报道。这是因为,在锂离子嵌入电极材料的晶格时,仅产生微小的应变而不会引起主体材料的明显晶胞体积改变,进而难以被传统的高分辨电镜(HRTEM)技术探测。近期,来自美国Brookhaven 国家实验室(简称BNL)的苏东研究团队利用扫描透射电镜(STEM)技术,探测到由于锂离子嵌入产生微小应变而引起的衬度变化,首次原位实时地描绘出锂离子嵌入反应的全过程,相关结果已发表在Nature Comm., 2016, 7, 11441(第一作者何楷博士,现美国西北大学研究助理教授)和ACS Nano, 2016, 10, 9577(第一作者石溪大学博士生李婧)。作者通过扫描透射电子显微镜采集包含更多应力信息的低角度环形明(暗)场像(即BF-STEM及LAADF-STEM),对尖晶石型铁、钴氧化物的锂化行为进行了实时的原位观察。图1展示了单个Fe3O4纳米颗粒的原位锂化行为,其中包含了两个明显的过程,即锂离子嵌入反应(Fe3O4 + Li → LixFe3O4,红蓝相界面所示)和转化反应(LixFe3O4 + (8-x) Li → 4 Li2O + 3Fe,蓝绿相界面所示)。由于仅有少量锂离子能够嵌入尖晶石晶格,因此第一步嵌入反应进行的非常迅速,且通常由于动力学因素往往与第二步转化反应同时进行,出现三相共存的现象。这恰恰解释了为什么我们能够在极低倍率充锂条件下可以测量出嵌入反应平台,但在高倍率充放电曲线中却无法测得。原位电镜观察为这一基本电化学现象建立了“结构—性能”的直接关联。图1. 实时扫描透射电镜观察Fe3O4纳米颗粒的原位锂化行为包含锂离子嵌入反应和转化反应两个电化学过程。在此基础上,作者还对Co3O4纳米颗粒的锂化动力学行为进行了深入研究,如图2所示。我们看到,在低倍率放电过程中,锂离子嵌入反应(黄蓝相界面)和转化反应(蓝红相界面)先后发生,而且无三相共存状态,此行为对应了材料准平衡态的热力学行为;而在高倍率放电过程中,锂离子嵌入反应和转化反应先后相继发生,但存在三相共存的状态,此行为对应了尖晶石结构锂嵌入的动力学行为。在同一种材料中通过不同倍率的原位锂化实验的对比,我们可以深刻地理解在真实电化学系统中反应动力学对电池充放电性质的重要作用。图2. 实时扫描透射电镜观察Co3O4纳米颗粒在不同放电倍率下的原位锂化过程揭示了反应动力学对电化学反应路径的关联。这一系列工作不但发展了原位电镜技术在锂电池机理研究中的应用,而且揭示出一些基本电化学问题中存在的材料结构和性能的密切关联,因此为我们今后更好地理解并设计高性能锂离子电池材料提供了有力指导。1. 该论文作者为:Kai He, Sen Zhang, Jing Li, Xiqian Yu, Qingping Meng, Yizhou Zhu, Enyuan Hu, Ke Sun, Hongseok Yun, Xiao-Qing Yang, Yimei Zhu, Hong Gan, Yifei Mo, Eric A. Stach, Christopher B. Murray, Dong Su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):Visualizing non-equilibrium lithiation of spinel oxide via in situ transmission electron microscopyNat. Commun., 2016, 7, 11441, DOI: 10.1038/ncomms114412. 该论文作者为:Jing Li, Kai He, Qingping Meng, Xin Li, Yizhou Zhu, Sooyeon Hwang, Ke Sun, Hong Gan, Yimei Zhu, Yifei Mo, Eric A. Stach, Dong Su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)Kinetic Phase Evolution of Spinel Cobalt Oxide during LithiationACS Nano, 2016, 10, 9577-9585, DOI: 10.1021/acsnano.6b04958

纳米尺度多酸分子簇的自组装生长机理

注:文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析巨型多酸分子是一类由前过度金属与氧配体组成的尺寸处于2-6纳米且结构明确的一类分子簇。这一类纳米分子簇为基础科学研究提供了简单而有说服力的模型,且具有广泛应用前景。很有意思的是,这类性纳米分子来源于简单小分子而且合成过程极为简单。那么,这些小分子起始原料到底是如何在反应溶液中形成结构如此复杂的纳米尺度的分子簇的呢?近日,美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)殷盼超博士(点击查看介绍)团队利用X光和中子散射结合经典化学表征手段揭示了两类巨型多酸分子的自组装生长机理。自上世纪九十年代德国比利菲尔德大学(University of Bielefeld)的Achim Müller教授首次合成巨型多酸分子以来,十多种不同形貌和尺寸的纳米多酸簇的合成和结构已经被报道了。由于它们在催化,吸附与分离,光电磁材料,生物活性材料以及在自旋电子学和量子计算上的应用,对于纳米分子簇的研究正成为高度关注的交叉研究领域。与传统的纳米颗粒不同的是,多酸分子簇具有单分散性,明确的分子结构(包含表面结构)和可调控/功能化的表面特性。因此这些纳米尺度的分子也被用来作为简单物理模型来理解一些基础科学上的问题,例如聚电解质溶液行为,厌水作用的本质,以及手性作用的机制。设计与合成特定相貌、尺寸和功能的巨型多酸分子的能力对于拓展多酸的应用至关重要。但是目前多酸领域的合成能力还没有达到这一目标。多酸化学家需要更多地了解已经报道的巨型多酸的结构细节和合成机理以积累在多酸分子设计和合成上的理论基础并最终实现对于新型多酸分子的理性设计和合成。X光和中子散射高度适用于研究多酸分子的形貌信息和动态行为,尤其是有能力原位研究合成多酸的反应溶液。由于其与物质作用的本质不同,X光和中子检测手段分别对于重金属原子和氢原子敏感。因此,将X光和中子散射结合起来能够提供多酸结构的全方位信息。特别需要提到的是,基于同步辐射源的小角X光散射和基于核反应堆的小角中子散射能够实时监控溶液粒子的尺寸和形貌信息。借助这些先进的表征手段,本研究团队揭示了基于模板分子的核-壳巨型多酸形成机理和基于还原触发的自组装机理。一个经典的2.5 nm的核-壳多酸分子合成是够通过以0.8 nm的Keggin型多酸(分子式:H4SiMo12O40)为模板生长形成一个{Mo72Fe30}(分子式:Mo72Fe30O252(CH3CO2)16(H2O)100)的球形壳的。小角X光散射被用来研究核-壳多酸的结构特征和水溶液中的稳定性。实时小角X光散射对该合成的反应溶液监控结果有力的证明基于模板合成的三阶段组装合成机理。在这个研究工作中,研究者首次提出利用设计的分子模型来拟合和分析小角X光散射数据,这较之前的数学拟合模型能够提供更为有说服力和客观的分析结果。除此之外,准弹性和非弹性中子散射被用来检测核-壳结构中水分子的动态行为。研究者首次发现有两种不同状态的水分子存在于该多酸结构中。这些水分子桥联核-壳结构以及稳定整个分子簇的结构有着至关重要的作用。在另外一个工作中,2.9 nm的球形{Mo132} (分子式: [MoVI72MoV60O372(CH3COO)30(H2O)72]42-)分子能够通过在酸性条件下利用硫酸肼还原钼酸盐而得到。小角 X光和中子散射、X光吸收谱以及核磁被用来原位监控该反应中产物和中间体的浓度和形貌,金属中心的还原以及有机配体的化学环境。通过系统的改变该反应的各种反应条件(例如pH、离子强度、还原剂、反应物浓度),这些原位研究结果表明合成{Mo132}分子的生长过程是一个典型的多步自组装过程。这个反应开始于一个滞后期。在这段时间,MoVI中心被还原成MoV,并与乙酸根基团配位形成{MoV2}二聚体。一旦这些二聚体的浓度积累达到一定程度,就会触发含MoV和MoVI的粒子的共组装而形成最终产物。这两项成果近期分别发表在《Journal of the American Chemical Society》上,两篇文章的第一作者兼通讯作者为殷盼超博士,第二作者是美国橡树岭国家实验室的吴彬博士。论文信息 1. Yin, P.*; Wu, B.; Mamontov, E.; Daemen, L. L.; Cheng, Y.; Li, T.; Seifert, S.; Hong, K.; Bonnesen, P. V.; Keum, J. K.; Ramirez-Cuesta, A. J. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b11465X-ray and Neutron Scattering Study of the Formation of Core–Shell-Type Polyoxometalates. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2638-2643, DOI: 10.1021/jacs.5b114652. Yin, P.*; Wu, B.; Li, T.; Bonnesen, P. V.; Hong, K.; Seifert, S.; Porcar, L.; Do, C.; Keum, J. K.原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b05882Reduction-Triggered Self-Assembly of Nanoscale Molybdenum Oxide Molecular Clusters. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10623-10629, DOI: 10.1021/jacs.6b05882殷盼超博士简介殷盼超,美国橡树岭国家实验室Clifford G. Shull研究员(Clifford G. Shull Fellow)。2009年于清华大学化工系取得学士学位,2013年于美国里海大学(Lehigh University)化学系获得博士学位,2013年-2015年在阿克隆大学高分子科学系从事博士后研究。2015年2月获得Clifford G. Shull Fellowship资助加入橡树岭国家实验室开始独立科学研究。入选第十二批国家“千人计划”青年人才(2016,浙江大学,后转入华南理工),将于2017年6月加入华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院。研究领域是利用基于X光和中子散射手段来开发分子簇的生长机理和动态行为研究并发展基于分子簇以及分子簇/高分子杂化材料的功能材料设计理念。在相关领域高影响杂志发表SCI论文50余篇,其中通讯作者10篇,一作15篇,包括Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等,并参与两本专业书籍撰写。个人网站:https://www.ornl.gov/staff-profile/panchao-yinhttp://www.x-mol.com/university/faculty/31109吴彬博士简介吴彬,美国田纳西大学诺克斯维尔分校博士后研究员。2002年考入清华大学工程物理系,分别于2006年和2009年取得学士、硕士学位。之后赴美国伦斯勒理工大学(Rensselaer Polytechnic Institute)深造,于2013年获得核工程与科学博士学位。毕业后被美国田纳西大学物理和天体物理系聘用为博士后研究员。主要研究方向为利用中子/X射线散射和分子动力学模拟计算研究软物质凝聚态物理。在相关领域高影响杂志发表SCI论文20余篇。个人网站:https://scholar.google.com/citations?user=cLhNoZ4AAAAJ&hl=en科研思路分析Q:这项研究的主要目的是什么?解决了那些重大问题?A:这类型的纳米尺度的分子簇结构新颖而且应用广泛,但是对于其形成机理的研究却鲜有进展。我们发展的基于X光和中子的散射的实验方法有效准确的获取溶液中产物粒子的尺寸形貌以及浓度信息并初步建立了一套散射数据的处理方法。而且由于光源强度较高,我们能够在很短时间(1 ms)内完成对溶液的研究,这样子对于反应速度较快的体系,我们也能够得到足够多的信息。我们得到的巨型多酸分子簇的形成机理对于优化已经存在的多酸的合成有着极大的指导意义,同时也为我们发现新的多酸分子提供了一种快速简单而且有效的方法。更为重要的是,这也为以后我们理性的设计和合成新颖的多酸结果提供了理论基础。Q:在研究过程中遇到最大挑战在哪里?A:对于多酸的合成反应的监控我们几乎是从零开始,没有文献可以借鉴,因此我们需要准确的了解反应在不同阶段的信息。但检测初始反应溶液时很有难度的,因为将反应溶液放置在光源上后,我们需要一定的时间完成仪器参数设置和必要的安全设定。这个问题的解决需要感谢阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)小角散射线的同事的尽力配合和帮助。我们设计了一个可外接触发的自动装置。在我们设置好所有的参数后,我们只需要的外界启动自动装置让反应物自动混合然后被自动导入光源上,这样我们能够捕捉到反应刚开始的信息。Q:在目前工作基础上,还有什么拓展性的工作会在将来进行?A:基于以上的工作,我们希望从两个方向发展这个工作:1)利用这两个被发现的形成机理,设计并合成新颖的巨型多酸结构;2)将我们的实验手段应用到纳米尺度催化剂的研究上,包括催化剂的形成机理以及催化剂的可控设计。

JACS:聚合物纳米粒子,或可抗各种蛇毒

说起毒蛇,我们总是不寒而栗。在全世界3000多种蛇里,有毒的约占1/6。据世界卫生组织(WHO)统计,全球每年约有500万人被蛇咬,超过10万人因之丧命,还有40万人被迫截肢或永久伤残。抗蛇毒血清是治疗毒蛇咬伤的标准疗法,可有效阻止伤口肿胀、疼痛以及组织损伤,甚至挽救人的生命。不过,自19世纪90年代抗蛇毒血清被首次制备以来,这种救命药的生产方法几乎没有太多改变:从毒蛇身上取出蛇毒,然后注入动物(如马和羊)体内,使之产生相应的抗体以对付蛇毒,接着抽取动物血液,分离血浆并添加蛋白酶,获得抗体,经过脱水就可以得到粉末状抗蛇毒血清。这种方法成本高且费时费力,产品还需要冷藏,这在一些毒蛇咬伤频发的欠发达地区难以推广。此外,不同的毒蛇会产生不同的毒素,有的还会随着毒蛇生存环境的变化而发生变化,这使得伤者往往不能及时地得到正确、有效的抗蛇毒治疗(点击阅读相关)。因而,科学家急需寻找一种便宜、有效、便于储运和使用的广谱抗蛇毒药物。人工取蛇毒。图片来源:Rice University加州大学欧文分校的Kenneth Shea教授(点击查看介绍)及其团队另辟蹊径,试图通过纳米科技来对抗蛇毒。早先的研究中,他们设计了一种纳米粒子,能够与蜂毒中的强力毒素——蜂毒肽(melittin)相结合,并将之从血液中清除。这一次,他们希望找到能对抗蛇毒的纳米粒子,而且,希望它能同时结合多种蛇毒毒素。他们的目标是蛇毒中广泛存在的一类蛋白——磷脂酶A2(phospholipase A2,PLA2),这类蛋白在蛇毒中有数百种之多,从轻度毒性到强大的神经毒素不等。PLA2蛋白能插入细胞膜中,因此Shea等人认为由类似细胞膜中脂质样分子制成的纳米颗粒,有机会结合种类繁多的PLA2蛋白。他们通过定向合成进化来优化聚合物纳米粒子的组成,最终找到了能和多种PLA2蛋白特异性紧密结合的纳米粒子。该纳米粒子有望用于广谱的抗蛇毒治疗,并且对人体细胞没有毒性。相关成果发表于JACS。Kenneth Shea教授。图片来源:University of California, Irvine研究人员首先选择许多不同功能的单体,如含酸性基团、碱性基团、能形成氢键的基团等,然后将它们以不同的组合和不同的浓度共聚,合成一系列多孔纳米粒子。接着,与多种蛇毒PLA2蛋白进行孵育,从中筛选出与PLA2结合力最强的纳米粒子。然后再以这些纳米粒子为起始原料,重复几轮上述合成-筛选过程,实现纳米粒子的定向合成进化。通过测定聚合物纳米粒子与PLA2蛋白结合力进行筛选。图片来源:JACS进一步研究表明,这种聚合物纳米粒子与人血清中的其他蛋白也有结合,不过,它们对PLA2蛋白的亲和力更高。试验结果证明,PLA2蛋白能与这些纳米粒子更紧密的结合,将之前结合上的人血清中的蛋白“挤”出来。通过对纳米粒子这种选择性的深入探究,研究人员发现这种纳米粒子类似PLA2蛋白的天然底物,因而可以有效地结合PLA2蛋白从而中和蛇毒。聚合物粒子与PLA2蛋白的特异性结合。图片来源:JACS毒性蛋白在聚合物粒子表面形成的蛋白冠。图片来源:JACS由于这种聚合物粒子有广谱的抗蛇毒活性,而且不需要冷藏保存,因而将很有希望帮助发展中国家和地区的人们更有效地对抗毒蛇咬伤。不过,目前的结果只是实验室的体外实验,在动物实验甚至将来的临床试验中表现如何还不得而知。Shea教授对此相当乐观,已经在准备进行动物实验。如果这一策略被证实有效,Shea表示他们下一步将开发靶向其他类别蛇毒毒素的纳米粒子,最终组成包含数种抗蛇毒纳米粒子的“鸡尾酒”,可以更有效地对抗蛇毒。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b10950Engineering the Protein Corona of a Synthetic Polymer Nanoparticle for Broad-Spectrum Sequestration and Neutralization of Venomous BiomacromoleculesJ. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b10950部分内容编译自:http://www.sciencemag.org/news/2016/12/antivenom-made-nanoparticles-could-eventually-treat-bites-any-snake导师介绍Kenneth Shea教授http://www.x-mol.com/university/faculty/1255(本文由冰供稿)X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

小模板大用处:Nature子刊报道二元孔模板制备多样化纳米阵列

由纳米结构组成的阵列被广泛应用于光子、电子、光电、压电、能量转化以及存储装置中。目前,制备均一的纳米阵列的方法有光刻法、纳米印迹法以及自组装法。然而,由这些方法制备而得的纳米阵列往往只局限于单组分结构。由于无数个相邻的不同组分之间的相互作用会产生协同效应,科学家正不断尝试着制备二元以及多元纳米阵列。例如,利用在液相界面蒸发两种类型的纳米晶,通过超晶格组装成二元阵列。但这些方法只能制备零维以及微米尺寸大小的阵列。而基于阳极氧化铝(AAO)多孔模板的阵列制备法,由于所有孔道都在模板的一面,因而难以精确地单独调控每种组分形成的纳米结构,同时也难以将不同的材料放置于想要的孔中。Liaoyong Wen博士(左)与Yong Lei教授(右)。图片来源:Ilmenau University of Technology日前,来自德国伊尔梅瑙工业大学(Ilmenau University of Technology)的Liaoyong Wen博士(第一作者)与Yong Lei教授开发出新型的二元孔AAO模板的制备方法,并借助两个薄层作为屏障层堵住孔道,使得两组孔道能够被单独地控制。利用此模板,他们成功地制备了二元纳米阵列,并拓展为多元纳米阵列,实现了阵列尺寸、形状以及孔间距离的高度可控性。此外,他们利用二元纳米阵列制造出光电极、晶体管、等离子体器件,其性能都比由单一组分构成的器件更加优越。相关成果已发表于Nature Nanotechnology杂志上。AAO二元孔模板的制备过程。图片来源:Nature Nanotech.研究人员首先通过压印的方法在铝箔的A面印迹上凹型图案,接着对其进行阳极氧化,得到方形孔。然后,将A面覆盖以PMMA,翻转模板,除去B面未被氧化的铝箔,并选择性刻蚀,在B面形成圆形孔道。最后,除去AB两面的屏障层,就得到通透的AAO二元孔模板。AAO二元孔模板的照片及SEM图。图片来源:Nature Nanotech.由SEM图可以看出,A孔与B孔都具有均一的尺寸,且在孔道末端有屏障层。这种屏障层可以防止孔通透到模板的另一端,因而可以实现A孔与B孔的尺寸与形貌可以被单独控制而互不影响。基于AAO二元孔模板制备的纳米阵列。图片来源:Nature Nanotech.基于此模板,结合成熟的合成技术,例如电沉积法和原子层沉积法,研究人员能够合成大面积的由不同材料组成的不同形貌的纳米阵列。AAO模板的三维重构图。图片来源:Nature Nanotech.研究人员采用电镜进一步对AAO二元孔模板的形成机理进行了研究,结果发现这种二元孔结构的生长来源于电场辅助溶解与塑性流动的共同作用。三元孔及四元孔AAO模板。图片来源:Nature Nanotech.采用相同的生长机理,研究人员可以将二元孔模板扩展为多元孔模板,并能使其拥有更多的几何形状。二元纳米阵列的应用。图片来源:Nature Nanotechnology最后,研究人员利用二元纳米阵列制造出光电极、晶体管、等离子体器件,并发现其性能都比由单一组分构成的器件更加优越。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.257.html Multiple nanostructures based on anodized aluminium oxide templatesNature Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.257(本文由冰供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

不同分布的原位薄碳层包覆空心硫化钴纳米笼的制备及在超级电容器的应用

目前,硫化钴在能源储备和能源转化领域展现出潜在的利用价值。但是其较差的循环稳定性和倍率性能制约了它的实际应用。近日,重庆大学化学化工学院马利教授(点击查看介绍)团队,利用ZIF-67菱形十二面体为前驱体,通过简单调控硫化时间以及后续碳化处理,成功制备出不同分布的原位薄碳层包覆的空心硫化钴纳米笼。通过相关物理表征,对于简单调控硫化时间得到不同分布薄碳层的硫化钴合成机理进行系统的讨论。同时对比测试了3种得到的空心硫化钴纳米笼的电化学性能,得出了CoS2-C@TCL展现出的优异的电容性能的原因在于:1)内外连通的薄碳层不仅可以作为每个CoS2颗粒之间的桥梁,提供电子和离子的传输通道,而且可以增加整体材料的导电性。2)在循环过程中,薄碳层由于机械和电化学稳定性,有效的防止CoS2在循环过程中的溶解和团聚而造成的容量衰减。3)多孔的纳米壳和中空的结构,增大了电极材料的比表面积,更好的实现电极表面的快速氧化还原反应。该项工作可以拓展到其他薄碳层包覆的空心金属硫化物的制备,为构建高性能的超级电容器提供了新的思路。图1 CoS2@TCL (a to c), CoS2 (d to f) 和CoS2-C@TCL (g to i)的TEM图(J. Power Sources, 2017, 341, 294-301)。图2 CoS2-C@TCL//AC电容器 的CV曲线(a),恒流充放曲线(b),循环曲线(c)和功率密度,能量密度曲线(d)(J. Power Sources, 2017, 341, 294-301)。该项研究成果近期发表在《J. Power Sources》,论文的第一作者是重庆大学的博士研究生金梦和西南大学的博士研究生陆世玉。该论文作者为:Meng Jin, Shi-Yu Lu, Li Ma, Meng-Yu Gan, Yao Lei, Xiu-Ling Zhang, Gang Fu, Pei-Shu Yang, Mao-Fa Yan原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775316317050Different distribution of in-situ thin carbon layer in hollow cobalt sulfide nanocages and their application for supercapacitorsJ. Power Sources, 2017, 341, 294-301, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.013导师介绍马利教授http://www.x-mol.com/university/faculty/18625X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

加拿大滑铁卢大学刘珏文教授在金属氧化物与磷脂的复合材料研究上取得重要进展

近日,加拿大滑铁卢大学化学系刘珏文教授(点击查看介绍)课题组在无机纳米材料与脂质体的生物界面化学研究取得重要进展。科研成果“金属氧化物与脂质:磁性脂质纳米颗粒展示DNA和蛋白(Profiling Metal Oxides with Lipids: Magnetic Liposomal Nanoparticles Displaying DNA and Proteins)在国际化学类顶级期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上发表。王峰博士作为该论文的第一作者。纳米材料与生物膜的相互作用,影响纳米材料在生物医用的各个环节,是目前生物医学领域亟待解决的关键问题。脂质体是由磷脂双分子层组成的微囊,在一定程度上模拟了细胞膜的功能。通过研究纳米材料与脂质体的相互作用,探索相关的细胞内吞、细胞膜孔的形成等过程,可为其进一步在生物传感器、药物递送、癌症早期诊断与治疗等方面的应用提供重要的理论及实验依据。金属氧化物在生物医学领域具有广泛的应用前景,刘珏文教授课题组利用组成细胞膜的重要成分——磷脂胆碱(Phosphatidylcholine,PC)和自然界并不存在的胆碱磷脂(Choline Phosphate,CP)分子(图一),系统地研究了两种不同的脂质体与二氧化钛的相互作用。此工作发表在去年的《美国化学会志》上(JACS, 2015, 137, 11736-11742)。图一:(A)DOPC和(B)DOCP脂质的化学结构。它们的区别在于磷脂头的化学结构,在DOCP中,磷酸根完全暴露在外,可以更有效的和金属氧化物结合。在此基础上,该课题组继续研究了10种不同金属氧化物,并通过荧光光谱、冷冻电镜等手段将其分类,精准实现了脂质体在金属氧化物纳米颗粒表面的吸附或包裹。例如PC脂质体只吸附在氧化铁表面,而CP脂质体可以包裹在其表面(图二)。因为磁性纳米材料的重要性,在人子宫颈癌细胞(Hela)上,系统地研究了这种脂质包被的磁性核壳纳米颗粒在荧光分子标记、DNA、蛋白分子的修饰上的应用。这一研究将有助于人们深入理解脂质亲水头部与纳米材料相互作用的生物物理特性,揭示脂质-纳米材料的跨膜机制和胞内命运。上述研究得到了加拿大自然科学和工程研究理事会(NSERC)等项目的支持。图二:(A)DOPC和DOCP脂质体与氧化铁纳米颗粒作用的两种方式;冷冻电镜观察(B)DOCP在氧化铁表面脂质双层的形成和(C)DOPC在氧化铁表面的吸附。该论文作者为:Feng Wang, Xiaohan Zhang, Yibo Liu, Zhi Yuan (William) Lin, Biwu Liu, and Juewen Liu*原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201606603/fullProfiling Metal Oxides with Lipids: Magnetic Liposomal Nanoparticles Displaying DNA and ProteinsAngew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 12063-12067, DOI: 10.1002/anie.201606603研究团队简介刘珏文博士,加拿大滑铁卢大学化学系副教授(Associate Professor),博士生导师。2000年毕业于中国科技大学化学系,获得本科学位。2005年获美国伊利诺伊大学(UIUC)博士学位。在美国新墨西哥大学和Sandia国家实验室从事博士后研究工作后,从2009年起受聘于滑铁卢大学。2014年获加拿大化学会Fred Beamish奖。近年来接收和发表期刊研究论文和书籍章节共计180余篇, 引用数超过10000次。担任《Analytical Methods》副主编。现主要从事核酸适配体、纳米材料和软物质的分析化学、物理化学以及表面性质的研究。http://www.x-mol.com/university/faculty/6857课题组网站:http://www.science.uwaterloo.ca/~liujw/王峰博士,2012年博士毕业后在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究(2012.11-2016.10)。现入职合肥工业大学“黄山青年学者”人才引进计划(教授)。近年来一直致力于利用分析化学的手段研究纳米-生物界面的工作,在纳米材料与脂质体、细胞膜、免疫屏障的相互作用等领域积累了大量的工作经验并取得一系列创新性成果。网站简介:http://yxgcxy.hfut.edu.cn/plus/view.php?aid=125

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