化學(xué)與化工前沿進(jìn)展

NatureChemicalPt1/FeOx單原子催化CO氧化

張 濤 研究員 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 李 雋 教 授 清華大學(xué)化學(xué)系

負(fù)載型鉑催化劑是用途最為廣泛的貴金屬催化劑。全球每年高達(dá)50%的鉑產(chǎn)量都用于汽車尾氣凈化系統(tǒng)的三效轉(zhuǎn)化器。此外，燃料電池電極催化劑、石油化工中的催化重整、以及各種精細(xì)化學(xué)品的合成都大量依賴于高效的負(fù)載型鉑催化劑。但是鉑的資源稀缺性決定了其價(jià)格昂貴，同時(shí)鉑元素獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)又決定了其在多種催化反應(yīng)中的不可替代性。因此，如何提高鉑的原子利用率一直是催化劑制備科學(xué)的核心問題之一。傳統(tǒng)的方法是將鉑分散于高比表面積的載體上，但通常只能得到尺寸在1-10納米范圍內(nèi)的納米粒子。研究催化劑中納米粒子的尺寸效應(yīng)也多集中在該尺度范圍內(nèi)。近幾年隨著先進(jìn)表征技術(shù)和理論計(jì)算方法的發(fā)展，極大推動了納米催化科學(xué)的認(rèn)識，一些亞納米尺度的催化劑已經(jīng)被證明具有顯著不同于納米尺度催化劑的性能。金屬分散能夠達(dá)到的極限是單原子分散。但在該工作之前，還沒有出現(xiàn)真正具有實(shí)用意義的單原子催化劑。這主要是因?yàn)閱卧泳哂泻芨叩谋砻婺?，在反?yīng)條件下極容易與別的原子發(fā)生聚集長大。張濤研究員帶領(lǐng)的課題組利用氧化鐵和鉑之間的強(qiáng)相互作用，采用簡單的共沉淀法，通過精確調(diào)控沉淀?xiàng)l件以及控制鉑的含量，獲得了首個(gè)高活性并能在反應(yīng)條件下穩(wěn)定存在的單原子鉑催化劑。通過與大連化物所千人計(jì)劃入選者美國蘇里大學(xué)圣路易斯分校劉景月教授、清華大學(xué)李雋教授、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室LawrenceF. Allard博士, 以及上海同步輻射和北京同步輻射中心合作，證實(shí)了在該催化劑上所有的鉑都呈單原子分散狀態(tài)，無任何亞納米或納米聚集體存在。理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了鉑單原子催化劑的結(jié)構(gòu)和具有高催化活性的原因?！皢卧哟呋睂τ趶脑铀嚼斫舛嘞啻呋哂兄匾饬x，同時(shí)也為開發(fā)低成本高效貴金屬工業(yè)催化劑提供了可能。

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選擇性全合成SchindilactoneA

楊震 教授 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院

SchindilactoneA是孫漢董院士從中國云南特有的五味子植物中分離得到的一種全新天然產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)過X-射線單晶衍射結(jié)果確定，目前已分離得到該家族化合物80余種，SchindilactoneA是其中代表性分子之一。SchindilactoneA含有8個(gè)環(huán)系、12個(gè)手性中心、6個(gè)季碳中心和10個(gè)氧原子，其核心7-8全碳并環(huán)體系在已知的天然產(chǎn)物中首次報(bào)道。研究表明，SchindilactoneA及其家族化合物不僅具有良好的免疫調(diào)節(jié)作用，還有抗腫瘤和抗-HIV等生物活性。由于該家族類天然產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有新穎性、復(fù)雜性和多樣性，其發(fā)現(xiàn)是近年來天然產(chǎn)物化學(xué)領(lǐng)域頗具代表性的成果，因而吸引了眾多的有機(jī)合成化學(xué)家。目前國內(nèi)外已有近十個(gè)研究小組圍繞該家族的天然產(chǎn)物開展合成研究。楊震教授課題組成功全合成了SchindilactoneA，這是該家族天然產(chǎn)物的世界首例全合成。在充分理解天然產(chǎn)物SchindilactoneA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，巧妙地設(shè)計(jì)了一條既高效、簡潔，又能實(shí)現(xiàn)多樣性合成的合成路線，通過其實(shí)驗(yàn)室自己發(fā)展的TMTU/Co2(CO)8催化的分子間Pauson-Khand反應(yīng)，Thiourea/Pd(OAc)2催化的羰基插入成環(huán)反應(yīng)等一系列新的合成方法簡明快速地構(gòu)建了分子骨架，以29步反應(yīng)率先完成了具有生物活性的復(fù)雜天然產(chǎn)物分子SchindilactoneA的全合成。并且，提出的具有普適性的多樣性導(dǎo)向合成的合成策略，為實(shí)現(xiàn)該家族其它天然產(chǎn)物的全合成奠定了基礎(chǔ)。

過渡金屬切割單壁碳納米管制備石墨烯納米帶

王金蘭 教授 東南大學(xué)物理系

石墨烯是自然界最薄的二維材料，具有優(yōu)越的機(jī)械、熱力學(xué)、電子和磁特性，未來可替代硅在電子學(xué)和自旋電子學(xué)的應(yīng)用。雖然純石墨烯是一種半金屬，但是當(dāng)被切成窄的石墨烯納米帶時(shí)，中等尺寸的帶隙可以被打開。目前，石墨烯納米帶合成的方法有平板印刷法、化學(xué)合成法和化學(xué)蒸氣沉積法等。利用這些方法合成的石墨烯納米帶要么較寬（>20nm），要么沒有清晰的邊緣。在低溫條件下，合成清晰光滑邊緣且較長的石墨烯納米帶仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。王金蘭教授與香港理工大學(xué)丁峰教授合作，巧妙利用過渡金屬原子的催化性能，在切割碳-碳鍵的同時(shí)弱化氫-氫鍵, 碳-氫鍵形成的同時(shí)釋放催化劑原子。研究結(jié)果顯示, 在氫氣的環(huán)境下，可以在低于500K的溫度下實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的縱向切割從而獲得可控的石墨烯納米窄帶。從理論上論證了在較低溫度下切割單壁碳納米管制備石墨烯納米帶的可行性。一旦這種獲得石墨烯納米帶的方法在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn), 將有可能帶來微電子領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。

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“無痕膠帶”分離半導(dǎo)體型與金屬型單壁碳納米管

張錦 教授 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院

單壁碳納米管因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在納電子器件、能量存儲器件、結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，目前制造方法僅能生產(chǎn)半導(dǎo)體型與金屬型混合的單壁碳納米管，這導(dǎo)致單壁碳納米管的性能下降。近十年來，為分離金屬型和半導(dǎo)體型單層碳納米微管，人們開發(fā)出選擇性破壞法和溶劑剝離法兩種方法，然而，這兩種方法在使用中存在明顯的問題。前者會對單層碳納米微管造成損傷，后者僅適用于較短微管的制備，并且很難制備定向單層碳納米微管。張錦教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)修飾的軟聚硅氧烷可以如“無痕膠帶”一樣將半導(dǎo)體型與金屬型單壁碳納米管分離開。胺基化的A型“膠帶”可以選擇性移除半導(dǎo)體型的單壁碳納米管，苯基化的P型“膠帶”可以特異性選擇金屬型的單壁碳納米管。這種方法的分離過程非常柔和，不會對單壁碳納米管造成損傷。

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增加配位團(tuán)大幅提高手性銥對酮不對稱氫的催化效率

周其林 教授 謝建華 教授 南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院

對映體手性化合物具有不同的生物活性，對映體生產(chǎn)在醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)化學(xué)品工業(yè)中占據(jù)重要的地位。因此，人們一直致力于開發(fā)能夠直接生產(chǎn)目標(biāo)對映體的生產(chǎn)工藝。催化烯烴、酮、亞胺不飽和化合物非對稱氫是生產(chǎn)對映體手性化合物最常用的方法。帶磷氮配體的手性銥是最常用于非對稱氫催化的催化劑。然而，這類催化劑很容易因加氫條件下不可逆地形成的無效二聚體或三聚體而失活。為了突破該限制，人們嘗試了固定化、樹叢化等方法，并使用了龐大的共陰離子和配體。雖然這些方法增加了催化劑的穩(wěn)定性，但轉(zhuǎn)化數(shù)卻遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)用水平。周其林教授和謝建華教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種在溫和條件下高效催化芳香環(huán)和不飽和酮的不對稱加氫的新型帶胺磷配體的手性銥催化劑。然而，這種催化劑在加氫條件下還是傾向于失活。主要原因是，兩個(gè)螺旋形胺磷配體與銥結(jié)合而失活。為解決這一問題，研究人員增加了一個(gè)配位團(tuán)，形成一個(gè)三齒形配體。修飾后的催化劑可以高效穩(wěn)定地催化酮加氫反應(yīng)，手性乙醇的催化轉(zhuǎn)化率達(dá)99.9% ee，轉(zhuǎn)化數(shù)高達(dá)4,550,000。

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鋅離子修飾的分子篩催化劑高效催化光驅(qū)甲烷至乙烷的脫氫偶聯(lián)

陳接勝 教授 上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

在溫和條件下將甲烷高效轉(zhuǎn)化為更高價(jià)值的碳?xì)浠衔锸且粋€(gè)巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)。目前，熱激活甲烷中碳?xì)滏I需要高溫和多步反應(yīng)，因此該反應(yīng)是高能耗且低效的。光催化是比熱激活更優(yōu)的技術(shù)。然而，光催化反應(yīng)的效率較低，90小時(shí)的轉(zhuǎn)化率低于4%。更重要的是，光催化反應(yīng)系統(tǒng)所使用光的波長小于270nm，這低于地球表面的太陽光的光譜（>290nm）。陳接勝教授的課題組開發(fā)出一種鋅離子修飾的分子篩催化劑，這種催化劑具有在室溫條件下選擇性活化烷烴分子和甲烷轉(zhuǎn)化中碳?xì)滏I的超高光催化活性。光源既可以是高壓汞燈，也可以是陽光。波長小于390nm的光便可以將電子從分子篩轉(zhuǎn)移到鋅離子上。高壓汞燈下照射8小時(shí)，甲烷的催化轉(zhuǎn)化率為24%，產(chǎn)物乙烷的選擇性大于99%。

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用于生物燃料高效回收的金屬有機(jī)骨架分離膜

李硯碩 研究員 楊維慎 研究員 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所

近年來，金屬有機(jī)骨架分離膜（MOFs）材料因其在吸附、分離、催化等領(lǐng)域的巨大潛在應(yīng)用價(jià)值而成為世界各國研究者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，由于普遍存在的MOFs材料本身的骨架柔性，使得MOFs分子篩膜并不能有效地截留較其孔道直徑稍大的分子，限制了其在氣體膜分離領(lǐng)域的應(yīng)用。楊維慎研究小組利用了MOFs材料（ZIF-8）的骨架柔性，制備出可以優(yōu)先透過醇類大分子而阻止尺寸更小的水分子的高性能ZIF-8納米復(fù)合膜，該膜可高效地從低濃度發(fā)酵液中富集異丁醇。能耗分析表明，該ZIF-8復(fù)合膜的滲透汽化分離能耗僅為精餾能耗的一半，展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。上述研究成果有望顯著推動膜分離技術(shù)在生物燃料生產(chǎn)中的應(yīng)用，并對MOFs分離膜在大分子選擇性分離和液體分離領(lǐng)域的相關(guān)研究起到重要的借鑒作用。

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寡核苷酸配基介導(dǎo)的納米材料表面可高效捕捉和釋放的T淋巴細(xì)胞

王樹濤 研究員 中國科學(xué)院化學(xué)研究所 韓 東 研究員 國家納米科學(xué)中心

細(xì)胞與底物之間的相互作用是生物界面、材料、醫(yī)藥及其相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。王樹濤研究員和韓東研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)通過將與T淋巴細(xì)胞特異識別的寡核苷酸配基連接在硅納米線陣列上開發(fā)出一種以T淋巴細(xì)胞為靶目標(biāo)的特異性粘著的納米平面。該納米平面可高效捕捉和釋放T淋巴細(xì)胞。與空白組相比，捕捉效率提高了2個(gè)數(shù)量級，緩釋率達(dá)97%±2%。該方法提供了一種細(xì)胞捕捉與釋放的巧妙策略，可滿足白細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞和干細(xì)胞等多種細(xì)胞分離和分析的需求。該項(xiàng)研究將對微量細(xì)胞檢測和基于細(xì)胞的疾病診斷產(chǎn)生重要影響。

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熒光上轉(zhuǎn)換微條碼用于多重生物檢測

張 凡 副研究員 復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系

生物分析、疾病診斷及未來治療方法都需要從多個(gè)目標(biāo)獲取實(shí)時(shí)信息，如獲取蛋白質(zhì)和基因信息用于生物系統(tǒng)功能的全局界定。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，人們開發(fā)出基因組和蛋白質(zhì)組的多重檢測和目標(biāo)模式識別。如今，人們又開發(fā)出多重平板矩陣來解決這一挑戰(zhàn)。然而，平板矩陣對高密度掃描有很大影響，平板表面物性嚴(yán)重限制了結(jié)果的質(zhì)量和速度。張凡副教授與美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校GalenD. Stucky教授合作開發(fā)出一種用于多重信號和核酸編碼的熒光上轉(zhuǎn)換微條形碼。這種新型條形碼材料可以用于核酸和抗原的快速靈敏分析。該技術(shù)在診斷、食品和環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

仿生人工蜘蛛絲的控制加工及水收集能力

江 雷 院士 中國科學(xué)院化學(xué)研究所 鄭詠梅 教授 北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院

從霧氣中收集水是解決水資源問題的有效方法，尤其是在干燥多霧地區(qū)。蜘蛛絲不僅具有出色的機(jī)械性能，而且也適合從霧氣中收集水。蜘蛛絲的周期突起結(jié)構(gòu)以纖細(xì)鏈接結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一起，在突起和鏈接之間形成了表面能量梯度，同時(shí)由于曲率梯度還產(chǎn)生拉普拉斯壓差，這兩個(gè)梯度的力協(xié)同地作用到小尺度液滴上，使蜘蛛絲能夠達(dá)成一個(gè)連續(xù)不斷的水凝結(jié)，并完成凝結(jié)液滴從鏈接到突起的方向的傳輸。江雷院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在成功人工制造集水蜘蛛絲的基礎(chǔ)上（Nature2010, 463, 640-643），利用控制加工技術(shù)制造了一系列不同突起大小的人工蜘蛛絲，并研究了不同人工蜘蛛絲的水捕捉能力。研究結(jié)果對促進(jìn)人工蜘蛛絲在水捕捉中的應(yīng)用具有重要意義。

駝峰結(jié)構(gòu)控制仿生蜘蛛纖維的水捕捉能力

江 雷 院士 中國科學(xué)院化學(xué)研究所 鄭詠梅 教授 北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院

甲殼蟲的背殼和蜘蛛絲等生物表面可以從潮濕空氣中捕捉水，對這些結(jié)果的生物仿生研究可以提高干旱地區(qū)人們的水利用效率。蜘蛛絲為人們提供了研究從空氣中收集水的理性模型，可以通過蜘蛛絲表面上多重幾何設(shè)計(jì)來提高水捕捉能力。纖維與水滴之間親和力模擬對于調(diào)節(jié)固液界面接觸和優(yōu)化纖維收集裝置的捕捉收集效率具有重要的意義。研究表明，將纖維的幾何形狀改變?yōu)轭愃浦┲虢z的駝峰狀可以顯著提高纖維對水滴的親和力。沿纖維軸向延伸的方向存在一個(gè)特殊的三相接觸線，駝峰結(jié)構(gòu)通過坡效應(yīng)和曲率效應(yīng)的結(jié)合提高了接觸線的穩(wěn)定性。

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納米級的光源制造的總體策略

董建文 教授 楊國偉 教授 中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

微型化電子和光子設(shè)備是納米技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。納米激光器等小型光發(fā)射器是集成納米光子器的重要組成部分。目前，納米激光器制造主要有兩種技術(shù)：一種基于激光半導(dǎo)體納米線，納米線起發(fā)射器和諧振腔的作用；另一種基于激光等離子體輔助半導(dǎo)體納米線，光自納米線發(fā)出。董建文教授和楊國偉教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種基于高折射率差材料的新幾何形狀的納米級光源制造的總體策略。根據(jù)光導(dǎo)在納米尺度的幾何形狀，當(dāng)光全反射時(shí)，高折射率差材料界面上電場大裂隙可以約束并增強(qiáng)低折射材料中光場的密度。利用上述原理，在熒光半導(dǎo)體納米管上鉆一個(gè)小洞，從納米管中發(fā)射出的熒光就會在空洞區(qū)域被約束?；谠摬呗?，可以制造出更小的光源。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)熒光從單根中空六邊形氧化鋅納米柱發(fā)射出時(shí)，光線會在中空區(qū)域出現(xiàn)約束。

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簡易合成單分散超順磁性Fe3O4核/Au殼的納米復(fù)合材料

李永生 教授 華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 施劍林 研究員 中科院上海硅酸鹽所

磁性（如Fe3O4）和光學(xué)活性等離子體（如Au）組成的復(fù)合納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如作為藥物載體，用于早期診斷的成像對比劑等。目前，人們還不能通過簡單方法制造合適大小、結(jié)構(gòu)和光穩(wěn)定性高的均一單分散多功能的Fe3O4核/Au殼納米復(fù)合材料。李永生教授和施劍林教授合作開發(fā)出一種簡化種子生長法用于制造單分散超順磁性Fe3O4核/Au殼的納米復(fù)合材料。一鍋法合成將Au核種子形成與核表面S-Au共價(jià)鍵連接同時(shí)完成。利用該方法制造出的復(fù)合材料不僅尺寸可調(diào)，而且具有很好的光學(xué)穩(wěn)定性。

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亞微米厚度的全固態(tài)高功率密度和高能量密度的超級電容

丁 軼 教授 山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院

近年來可穿戴式和小型化電子設(shè)備快速發(fā)展給兼容能量轉(zhuǎn)化和存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提出了新挑戰(zhàn)。薄膜超級電容因其高功率密度和高能量密度引起人們越來越多的興趣，可生產(chǎn)用于可穿戴式電子設(shè)備的輕量、超薄的能量管理器。丁軼教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種亞微米厚的全固態(tài)超級電容，具有獨(dú)特的納米多孔金/聚吡咯雜合納米結(jié)構(gòu)。100nm厚的多孔金作為電極支撐和集流器，固態(tài)高氯酸-聚乙烯醇凝膠作為電解液和隔膜，大大簡化了薄膜超級電容的加工工藝。該設(shè)備對電子和離子的反應(yīng)快速，因此不僅有高電量電容，還有高功率密度和高能量密度，可以作為新一代可穿戴和小型化設(shè)備的電源。

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非傳統(tǒng)方法加工帶三元梯式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜分層周期矩陣

李 越 研究員 中國科學(xué)院固體物理研究所

分層微/納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的性能，在光電器件、微流體設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)和場發(fā)射等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。如果這些分層結(jié)構(gòu)可以有序矩陣排列，那么微/納米設(shè)備矩陣表面的性能將更均一穩(wěn)定，這將極大地促進(jìn)該類設(shè)備的應(yīng)用。李越研究員聯(lián)合日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所NaotoKoshizaki研究員將新型雙層二元膠體晶體與脈沖激光沉積技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種加工帶微米、亞微米或納米級三元梯式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜分層周期矩陣的方法。該方法適用范圍廣，不同材料的納米結(jié)構(gòu)均易制備成復(fù)雜分層周期矩陣。與傳統(tǒng)方法相比，不僅成本更低，而且可以制備獨(dú)特的新結(jié)構(gòu)。

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金屬VO2熱態(tài)吸氫穩(wěn)定至室溫，表現(xiàn)出理想的低溫?zé)犭娦?yīng)

謝毅 教授 中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室

熱電效應(yīng)可以將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，這對于能量捕獲和轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。未來人們可以將廢熱轉(zhuǎn)化為電力。超級熱電材料依賴于高電導(dǎo)、高熱電功率和低熱導(dǎo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Wiedemann–Franz法則，這三個(gè)參數(shù)間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，均高度依賴于電子結(jié)構(gòu)和電荷載流子，這也是過去幾十年熱電材料性能提高的主要障礙。謝毅教授課題組發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電子間的相關(guān)性可以有效地選擇性控制提高熱電性能的關(guān)鍵步驟——載流子濃度。全電子行為成功地將非室溫金屬VO2（>340k）穩(wěn)定在室溫，并表現(xiàn)出優(yōu)秀的熱電性能，具有比其他簡單氧化物更廣的工作溫度范圍。

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可控的水下油粘著界面膜組裝

宋延林 研究員 王京霞 副研究員 中國科學(xué)院化學(xué)研究所

水下可濕性在多種現(xiàn)象和應(yīng)用中起重要的作用，如溶液中蛋白吸收、電潤濕法、工業(yè)金屬中除油、水下抗污材料加工及微流體中小液滴的操控等。因而，固液界面上的水下可濕性成為新的研究熱點(diǎn)。具有可控的水下油粘著特性的超疏油表面因其巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值而引起人們更大的關(guān)注。宋延林研究員和王京霞副研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)球形或菜花狀的乳膠結(jié)構(gòu)改變?yōu)閱吻?，單腔可以有效調(diào)節(jié)薄膜表面油滴的固液接觸模型及潤濕狀態(tài)，從而可以有效地控制水下膜的油粘著力。所制備膜的水下油粘著力可以降至很低水平。這種基于乳膠結(jié)構(gòu)柔性設(shè)計(jì)的具有特殊水下油粘著特性的功能膜的簡易加工方法有助于新型水下抗污材料的設(shè)計(jì)和發(fā)明。

磁性氧化鐵納米管用于難溶性抗腫瘤藥物的靶向輸送

馬光輝 研究員 中國科學(xué)院過程工程研究所

科研人員采用高通量篩選技術(shù)篩選出了大量應(yīng)用于抗腫瘤的活性化合物，但這些化合物大多分子量高、疏水性強(qiáng)。目前，至少有40%的藥物因難溶性問題使用受到了限制。例如，紫杉醇是最具療效的廣譜抗腫瘤藥物之一，但由于其水溶性差，臨床上多以聚氧乙烯蓖麻油和乙醇混合物作為溶媒溶解后靜脈注射進(jìn)行給藥。而此類給藥方式會使藥物分布于患者全身，引起毒副作用，同時(shí)有機(jī)溶劑的引入也會導(dǎo)致嚴(yán)重的過敏反應(yīng)。為解決這一難題，馬光輝課題組構(gòu)建了一種基于磁性氧化鐵納米管的傳輸體系，實(shí)現(xiàn)了紫杉醇的高效給藥。通過對結(jié)晶過程的控制，可以將紫杉醇納米晶成功地裝載于納米管內(nèi)部。該體系不僅可以借助表面修飾的親水性分子躲避內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)的識別，在體內(nèi)具有較長的循環(huán)半衰期；而且能夠在外加磁場的作用下展示出良好的磁靶向性，極大提高腫瘤細(xì)胞對藥物的攝取量；上述納米管在被細(xì)胞攝取后還會被溶酶體捕獲，其中酸性環(huán)境能夠促進(jìn)氧化鐵基質(zhì)的降解，從而加速了難溶藥物的釋放。該給藥體系與傳統(tǒng)商品化制劑相比顯示出了更好的抗腫瘤能力和更少的毒副作用，在難溶性抗腫瘤藥物輸送領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

a. 設(shè)計(jì)合成的γ-Fe2O3納米管(MNTs)，b. 裝載紫杉醇的PEG-γ-Fe2O3納米管(PTXPMNTs)，c. 磁場響應(yīng)。

石墨烯電極邊緣加氫提高DNA測序的性能

劉明 研究員 中國科學(xué)院微電子研究所

封面文章

納米孔基因測序是新一代的全基因組快速測序方法?；驹硎荄NA四種堿基的不同電子密度，可以作為區(qū)分不同的堿基的標(biāo)準(zhǔn)。然而，基于固態(tài)納米孔DNA測序技術(shù)的開發(fā)仍然面對一系列巨大的挑戰(zhàn)，如當(dāng)多聚核酸穿過納米孔時(shí)要得到單堿基解析度的分析、優(yōu)化4種核酸電信號對比、以及提高信噪比等。劉明研究員與瑞典烏普薩拉大學(xué)RalphScheicher教授合作，利用邊緣加氫石墨烯制造出可以實(shí)現(xiàn)單堿基解析度的DNA序列分析的納米電極。分子動態(tài)模擬與電子轉(zhuǎn)移計(jì)算表明，與未加氫的系統(tǒng)系統(tǒng)相比，邊緣加氫石墨烯電極易與穿過納米孔的DNA分子的特定原子形成臨時(shí)氫鍵，這使得平均電導(dǎo)率提高了3個(gè)數(shù)量級。石墨烯電極邊緣加氫還可以減少DNA穿過納米孔的速度，穩(wěn)定地提高全基因組序列分析的精度。

封二文章

摻雜Gd（III）的雙功能上轉(zhuǎn)換納米探針中正負(fù)晶格屏蔽效應(yīng)共存

施劍林 研究員 步文博 研究員 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

摻雜釓（Gd)上轉(zhuǎn)換納米顆粒是T1-MR和熒光成像劑。然而，人們對位于不同晶格的Gd3+離子的特性存在著爭議。施劍林研究員和步文博研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，基于種子生長技術(shù)建立了一個(gè)用于探測晶格內(nèi)和上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面Gd3+離子縱向弛豫的模型。研究發(fā)現(xiàn)，深埋在晶格中的Gd3+離子幾乎100%失去了弛豫，這被稱之為“負(fù)晶格屏蔽效應(yīng)”，與增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換熒光密度的“正晶格屏蔽效應(yīng)”相反。研究結(jié)果表明，負(fù)晶格屏蔽效應(yīng)與殼厚度有關(guān)。通過優(yōu)化上轉(zhuǎn)換納米顆粒的結(jié)構(gòu)，最大程度上抑制了負(fù)晶格屏蔽效應(yīng)，上轉(zhuǎn)換納米顆粒達(dá)到了已知最強(qiáng)的性能。同時(shí)，研究還解釋了磁共振造影成像中內(nèi)外Gd3+離子的作用，為其他相關(guān)技術(shù)提供了改進(jìn)方法。

封底文章