SCIENCE CHINA Materials 2017年第9期

SCIENCE CHINA Materials 

Volume 60, Issue 9, September 2017

Cover

可用于三维细胞培养的功能性微载体的制备对于许多组织工程应用非常重要。 受佛珠手串中佛珠可以在绳子上自由滑动这一特殊结构的启发，赵远锦等采用毛细管阵列微流控技术设计和开发了一种新型细胞微载体。由于具有可控的大孔和异质微结构，这种微载体能够保证在细胞培养过程中提供充足的氧气和营养物质，并且可以封装空间各向异性或异质细胞，以模拟人体组织的复杂生理结构和功能（参见第857页的文章）

Review

Design and tailoring of patterned ZnO nanostructures for energy conversion applications

图案化ZnO纳米结构的设计调控及其在能量转换器件中的应用

司浩楠，康卓，廖庆亮，张铮，张晓梅，汪莉*，张跃*

摘要：ZnO作为典型的直接带隙宽禁带半导体材料具有丰富的形貌结构和独特的物理、化学性能，被广泛应用于能源、信息技术、生物医学等领域。目前纳米结构的精确设计与可控制备已成为改善ZnO基功能型纳器件性能的重要手段。本论文介绍了利用图案化技术对ZnO纳米结构进行限域生长的技术手段，重点综述了光刻技术和激光干涉模板法在精细ZnO纳米结构制备方面的研究进展，及其在光伏电池、光电化学电池、发光器件和纳米发电机四种能量转换器件中的应用。形貌结构可调的ZnO纳米结构具有分立的高精度空间纳米结构、增大的比表面积、提升的光子捕获能力，在与其他材料复合时利于实现高效的载流子行为调控，获得了高效的能量转换，满足了不同功能型纳器件对材料结构的需求。针对ZnO纳米结构精确设计所发展的一系列图案化技术对其他材料的复杂纳米结构可控制备具有重要的指导意义，亦为功能型纳器件的进一步发展开辟了一个全新的途径。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 793-810

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Quantum confinement effect of two-dimensional all-inorganic halide perovskites

全无机卤素钙钛矿中的量子限制效应

蔡波，李晓明，顾宇，Moussab Harb，李建海，谢美秋，曹菲，宋继中，张胜利，Luigi Cavallo，曾海波^*

摘要：当半导体材料尺寸缩小到与激子尺寸相当的时候，量子限制效应会在对应的低维材料中诱导出不同的物理行为。本文以CsPbBr₃为例，报道了在全无机钙钛矿纳米片中的量子限制效应。根据DFT理论模拟可知，当CsPbBr₃材料减薄至7纳米左右时，该效应导致该材料的光吸收和光致发光光谱的峰位蓝移，且样品越薄，峰位蓝移现象越明显。该效应也会导致激子束缚能随着材料厚度的减薄而显著增大。同时，变温光致发光光谱的光强-温度与半高宽-温度函数都显示出厚度越薄量子限制效应越强的趋势。本文揭示了二维全无机卤化物钙钛矿的量子限制效应，可为设计全无机卤化物钙钛矿光电器件提供参考依据。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 811-818

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Design and synthesis of low band gap non-fullerene acceptors for organic solar cells with impressively high J_sc over 21 mA cm^-2

窄带系非富勒烯受体用于有机太阳电池获得超过21 mA cm⁻²的短路电路密度

高欢欢, 孙延娜, 万相见^*, 阚斌, 柯鑫, 张洪涛, 李晨曦, 陈永胜^*

摘要：本文设计合成了基于噻吩[3，2b]噻吩稠环受体具有不同末端基团的三个窄带系非富勒烯受体TTIC-M，TTIC和TTIC-F。采用宽带隙聚合物PBDB-T为给体在300-900 nm光谱范围内形成了互补光吸收, 基于TTIC-M，TTIC和TTIC-F的光伏器件分别获得了高达9.97%，10.87%和9.51%的效率和高达21 mA cm^-2的短路电流密度。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 819-828

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Enhanced performance of solar cells via anchoring CuGaS₂ quantum dots

铆钉CuGaS₂量子点对提高太阳电池光伏性能的研究

赵晋津^*，刘正浩，唐浩，贾春媚，赵星宇, 薛峰, 魏丽玉, 孔国丽, 王晨, 刘金喜^*

摘要：三元I-III-VI族黄铜矿量子点作为太阳电池的敏化剂表现出优异的光学性质。我们采用一步法将2-5纳米的三元黄铜矿CuGaS₂量子点铆钉在TiO₂纳米颗粒上，不通过任何有机分子作为链接制备出了TiO₂@CGS复合材料。研究发现量子点和染料TiO₂@CuGaS₂/N719共敏化太阳电池效率达到7.4%，相对于单敏化染料太阳电池而言，其电池效率提高了23%。CuGaS₂量子点铆钉在半导体纳米颗粒增强了共敏化太阳电池的光吸收能力、增加了电荷载流子数量，促进了电子有效注入, 具有十分广阔的应用空间。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 829-838

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A novel lithium-ion battery comprising Li-rich@Cr₂O₅ composite cathode and Li₄Ti₅O₁₂anode with controllable coulombic efficiency

富锂相@五氧化二铬复合正极和锂钛氧负极匹配的具有可控库仑效率新型锂离子电池

丁翔，邹邦坤，李禹宣，贺晓东，廖家英，唐仲丰，邵宇，陈春华*

摘要：本文将缺锂态的Cr₂O₅正极材料与Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂(LNCM)富锂相正极材料进行物理混合，形成了复合正极材料LNCM@xCr₂O₅(x = 0,0.1,0.2,0.3,0.35, 0.4)，从而在第一次充放电过程中达到有效利用富锂相所产生的不可逆的锂离子。复合之后，LNCM半电池的首次库仑效率(ICE)得到显著提高， 从75.5(x = 0)提高到了108.9(x = 0.35)。LNCM@Cr₂O₅复合正极材料和Li₄Ti₅O₁₂负极材料匹配而成的新型锂离子全电池，即LNCM@Cr₂O₅//Li₄Ti₅O₁₂(L电池)表现出高达97.7的ICE。不仅如此，L电池还表现出了高达250 mA h g^-1的可逆容量，并且在循环50次之后仍具有94%的容量保持率。此外，在1.25和2.5 A g^-1电流密度下，它还具有高达122和94 mA h g^-1的放电比容量，远远优于LNCM//石墨全电池(G电池)。L电池的高性能得益于精心设计的库仑效率匹配机制，并且在未来高能量锂离子电池的快速充放电应用中表现出巨大的潜力。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 839-848

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Defective MoS₂ electrocatalyst for highly efficient hydrogen evolution through a simple ball-milling method

球磨法制备富含缺陷的高性能二硫化钼析氢反应电催化剂

摘要：通过电催化将水分解可大量制备高纯度氢气，这一过程需要高效能低成本的电催化剂材料。二硫化钼价格低廉、资源丰富，且具有类似贵金属铂的氢吸附自由能，是一种潜在的高效制氢电催化剂。 然而其仍面临着析氢过电位偏高、稳定性差、难以批量制备、在碱性环境下催化析氢活性较低等问题，限制了其实际应用。目前，大量文献证实制造缺陷是一种有效的优化二硫化钼电催化活性的方法。本文通过球磨还原法制备了一种富含缺陷的二硫化钼析氢反应电催化剂。这种新型的富缺陷二硫化钼催化剂在酸碱性条件下都显示出较高的催化活性，在酸性条件下，过电位为176 mV时其电流密度可达10 mA cm⁻²；在碱性条件下，过电位为189 mV时其电流密度可达10 mA cm⁻²，超过了大部分报道的析氢反应电催化剂。此外，富缺陷二硫化钼材料显示出较小的塔菲尔斜率和良好的电化学稳定性，进一步证实了析氢反应催化活性的增强。这种通过球磨还原制造缺陷的思路为未来催化剂的设计与性能优化开辟了一条新的道路，且该方法简单，适于大规模的工业生产。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 849-856

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Microfluidic generation of Buddha beads-like microcarriers for cell culture

微流控制备仿佛珠微载体用于细胞培养研究

王洁，邹旻含，孙灵钰，程瑶，商珞然，付繁繁，赵远锦*

摘要：构建可用于细胞三维培养的多功能微载体在组织工程的应用中至关重要。 本文受佛珠手串中佛珠可以在绳子上自由滑动这一特殊结构的启发，利用毛细管阵列微流控技术制备了一种具有可控大孔微结构的新型异质细胞微载体，用于细胞三维培养。仿佛珠微载体的构建首先需要通过海藻酸钠与钙离子的快速凝胶化形成海藻酸钙纤维，随即在纤维上包覆可聚合的细胞预聚溶液，通过流体的剪切实现溶液乳化并将其固化聚合，从而获得串有可以自由滑动的微载体的纤维串。纤维上释放的微载体中间的大孔结构的尺寸高度可控，这一特点在微载体用于细胞三维培养中具有重要意义，因为微载体中间的大孔结构能够有效保证载体内部细胞氧气、营养物质的充分交换，减少细胞坏死。此外, 通过将多种细胞预聚溶液引入微流控通道中，还可以获得具有多组分异质结构的细胞微载体，从而有望实现体内复杂的组织器官结构与功能的模拟。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 857-865

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A novel bone marrow targeted gadofullerene agent protect against oxidative injury in chemotherapy

一种新型靶向骨髓的金属富勒烯用于防护化疗造成的氧化损伤

张莹，舒春英，甄明明^*，李杰，于童，贾旺，李雪，邓睿君，周悦，王春儒^*

摘要：本文报道了一种利用金属富勒烯纳米材料实现肿瘤化疗骨髓保护的新技术。肿瘤化疗往往会带来严重的骨髓抑制等毒副作用，给患者造成极大的创伤。利用金属富勒烯纳米材料高效清除自由基、高选择性且快速富集在小鼠骨髓中的特性，开发了基于金属富勒烯的新型化疗辅助药物。研究表明，金属富勒烯实现了多方面的化疗保护效果，对白细胞计数最高可提升166%，对淋巴细胞最高可提升285%，对于骨髓以及脾脏多器官均有显著保护效果，且未影响化疗药物的肿瘤治疗效果。该材料是一种快速、高效、毒副作用小的新型肿瘤化疗辅助药物，具有巨大的发展潜力。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 866-880

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Ethylene glycol-mediated synthetic route for production of luminescent silicon nanorod as photodynamic therapy agent

乙二醇介导法制备荧光硅纳米棒用作光动力治疗试剂

贾庆岩， 陈明星，刘青云*，刘卫敏，张洪艳，葛介超*，汪鹏飞

摘要：由于独特的形貌和光电性质，一维硅纳米棒已被广泛应用于场效应晶体管、药物载体、太阳能电池、纳米机械设备以及锂电池等领域。然而，开辟新型荧光硅纳米棒的制备方法并拓展其在生物医学研究中的应用是目前仍迫切需要探索的重要课题。本文首次基于乙二醇介导法合成了具有良好光稳定性、生物相容性、强激发依赖的荧光和可测量的单线态氧量子产率(0.24)等优良特性的硅纳米棒。这类新型硅纳米棒光敏剂在细胞水平同时实现了荧光成像和光动力学治疗，表明其在光动力学治疗表层肿瘤领域具有一定应用前景。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 881-891

Articles

Uptake of magnetic nanoparticles for adipose-derived stem cells with multiple passage numbers

不同传代数对脂肪间充质干细胞摄取磁性纳米颗粒的影响研究

杨燕，王琪炜，宋丽娜，刘璇，赵鹏，章非敏，顾宁*，孙剑飞*

摘要：随着纳米材料在组织工程和再生医学中越来越多的应用，干细胞和纳米材料之间的相互作用成为关键环节，而纳米颗粒进入细胞是关系到纳米材料安全性和干细胞命运调控的首要问题。干细胞传代是其应用中必不可少的过程，但关于传代代数对干细胞摄取纳米颗粒的影响的研究还较少。此外，干细胞和纳米材料的相互作用还与纳米颗粒的存在方式有关。本文在玻璃片上组装了条带状的γ-Fe₂O₃纳米颗粒组装结构，并在该表面上培养SD大鼠脂肪间充质干细胞，然后研究了不同代数的干细胞对组装和游离的纳米颗粒的吞噬情况。结果发现，随着细胞代数增加，细胞活力降低，细胞衰老水平增加，并且细胞膜的表面呈现出粗糙和不均匀的形貌。当与游离的γ-Fe₂O₃纳米颗粒共培养时，细胞内铁含量随着代数的增加而减少，但在组装体上培养的不同代数的细胞具有相似的铁含量，并且胞内铁含量极少。另外，磁感应蛋白的表达表明磁性纳米颗粒的组装体对细胞有磁效应。该研究表明，细胞代数的选择对研究颗粒内化实验是至关重要的，细胞代数应该作为细胞摄取实验的一个重要考虑因素。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 892-902

Letter

Atomic layer reversal on CeO2 (100) surface

二氧化铈(100)表面的原子面反转

黄静露，余运波，朱静，于荣^*

摘要：氧化铈表面的结构与性能对氧化铈材料的许多实际应用有着重要的影响，因此受到了广泛的关注和研究。由于大多数的表面技术仅限于获得表面最外层原子的结构信息，对材料亚表面的结构信息还非常匮乏。我们基于像差校正高分辨透射电子显微技术，同时获得了氧化铈(100)表面和亚表面的结构信息，从而揭示了氧化铈(100)表面的一种亚稳态。在这种新结构中，表面最外层和次外层原子面发生了反转，使得具有Ce终结的化学计量比的表面以O原子面暴露在最外层。伴随这种原子面反转，为了补偿表面极性的电荷重排也不同于正常的(100)表面。

SCIENCE CHINA Materials 60 (9), 903-908

本文由材料人特约作者、Sci. China. Mater.实习编辑吴禹翰整理、发布。