三位纳米大牛： H-index超100，被引频次10万+

人物介绍： （数据来源web of science，时间20210415）

Paul Alivisatos

Paul Alivisatos现任美国劳伦斯伯克利国家实验室主任，美国加州大学伯克利分校的“三星（Samsung）杰出教授”。美国科学院和美国艺术与科学学院两院院士，同时担任国际纳米领域顶刊Nano Letters创刊主编、Science的资深编委、已在Science、Nature等世界顶级期刊上发表论文400多篇，被引用11万余次，H-index153，2010年被评为“世界百大化学家”的第五位。在量子点纳米晶的可控合成、生物应用、能源领域应用作出杰出的贡献，获得了包括被誉为“诺贝尔奖风向标”的“沃尔夫化学奖”等在内的诸多世界级奖项，是公认的世界顶尖科学家，被誉为“纳米科技之父”。

Chad A. Mirkin

Chad A. Mirkin现任美国西北大学教授，美国科学院、医学院、工程院和艺术与科学院四院院士、美国总统奥巴马的科技顾问，在生物探测、标记和诊断方面具有高超的研究水准，发展了基于纳米颗粒的生物分子检测技术，发明了蘸笔纳米印刷术。他是国际纳米技术权威期刊Small的创办者，还担任了Biosensors & Bioelectronics, JACS, Acc. Chem. Res., Angew. Chem., Adv. Mater.等超过20个国际性杂志的编辑顾问，现已发表文章700多篇，被引用11万余次，H-index145，拥有专利900多项，同时Chad A. Mirkin教授还创办了4家公司，用以促进纳米技术在工业领域的商业化。

崔屹

崔屹斯坦福大学终身教授，主要从事纳米材料在能源、光伏、拓扑绝缘材料、生物和环境领域的研究工作。他是美国材料学会会士、美国电化学会会士、英国皇家化学学会会士，是Nano Letters副主编。现已发表论文600余篇，被引用15万余次，H-index191。2014年美国汤森路透（Thomson Reuters）集团在线公布的全球材料科学领域 “高被引科学家（Highly-Cited Researchers）”名单中，崔屹排名第一，被誉为“世界最具影响力的科学头脑”。2014年获得首届纳米能源奖，2017年获得布拉瓦尼克国家青年科学家奖。创办了两家公司，致力于新一代高能锂电池的开发及PM2.5的过滤技术的商业化。

相关工作进展:

通过几何失配应变设计和合成纳米晶粒｜Science

与晶界相关的拓扑缺陷(GB缺陷)对纳米晶材料的电学、光学、磁性、力学和化学性质的影响是众所周知的。然而，通过实验来阐明这种影响是困难的，因为晶粒通常表现出大范围的尺寸，形状和随机的相对取向。加州大学伯克利分校A. Paul Alivisatos联合韩国首尔国立大学Taeghwan Hyeon教授等人证明了对胶体多面体纳米晶体的异质外延进行精确控制可以使晶粒有序生长，从而可以生产出具有均匀GB缺陷的材料样品。用包含Co₃O₄纳米立方核的多颗粒纳米晶体来说明这个方法，该核在每个面上都带有Mn₃O₄壳。各个壳是与对称性相关的相互连接的晶粒，相邻四方Mn₃O₄晶粒之间的大几何错位导致在Co₃O₄纳米立方核的锋利边缘处形成倾斜边界，这些倾斜边界通过错位连接。研究确定了控制这些高度有序的多晶粒纳米结构生产的四个设计原则。首先，衬底纳米晶体的形状必须指导过度生长相的晶体学取向。其次，衬底的尺寸必须小于位错之间的特征距离。第三，过度生长相与基底之间的不相容对称性增加了晶粒之间的几何杂波应变。第四，对于在接近平衡条件下形成GB的情况，需要通过配体钝化增加的弹性能来平衡壳的表面能。利用这些原理，可以长出一系列包含明显GB缺陷的多晶粒纳米晶体。相关研究以“Design and synthesis of multigrain nanocrystals via geometric misfit strain”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1038/s41586-019-1899-3

图1 Co₃O₄纳米立方体上Mn₃O₄晶粒的外延生长和间隙闭合

嵌段共聚物稳定的卤化铅钙钛矿纳米线｜Nano Research

基于卤化铅钙钛矿(LHPs)的太阳能电池的迅速发展，促使其他密切相关领域的研究十分活跃。这种材料的胶体纳米结构显示出优越的光电性能。特别是一维LHPs纳米线在高度定向时表现出各向异性的光学特性。然而，由于它们的离子特性，对外界环境非常敏感，限制了它们的大规模实际应用。加州大学伯克利分校A. Paul Alivisatos、杨培东教授等人介绍了一种两亲性嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-P4VP)对胶体CsPbBr₃纳米线的表面进行化学修饰。所制备的核壳纳米线具有增强的光致发光性能和良好的抗水胶体稳定性。利用稳定性增强的优势，进一步应用改进的Langmuir-Blodgett技术组装了高排列纳米线单层膜，并研究了其各向异性光学特性。相关研究以“Lead halide perovskite nanowires stabilized by block copolymers for Langmuir-Blodgett assembly”为题目，发表在Nano Research上。DOI: 10.1007/s12274-020-2717-9

图2 PS-P4VP处理前后对比的NWs溶液及样品在胶体稳定性测试中相对PL强度

在势能景观中对带电纳米棒的相互作用进行原位量化｜Nano Letters

对纳米尺度相互作用的定量理解的先决条件是利用纳米粒子系统显著的集体特性。在这里，加州大学伯克利分校A. Paul Alivisatos教授等人报告了结合使用液相透射电子显微镜和电子束光刻技术来阐明预先定义的势能景观中带电纳米棒之间的相互作用。表面功能化光刻金纳米棒的原位选择性剥离是通过以不同速率蚀刻的粘附层材料来实现的。分析随后的纳米棒运动，由于粒子与衬底之间的吸引力，该结构在二维上受到限制，可以在光刻工程环境中量化粒子间的相互作用。对于用相同的粘附层制成的平版纳米棒，它们的自组装行为可以通过改变它们的起始空间排列来调整。该研究的方法有助于研究设计的纳米粒子系统中粒子间的相互作用，并对势能景观在确定纳米粒子自组装动力学途径中的作用提供了基本的见解。相关研究以“In Situ Quantification of Interactions between Charged Nanorods in a Predefined Potential Energy Landscape”为题目，发表在Nano Letters上。DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04198

图3 纳米棒的原位剥离及其动力学

用于活细胞分析的DNA纳米结构｜JACS

基于DNA的探针由于能够识别核酸和非核酸靶点、易于合成和化学修饰、易于与信号放大方案接口以及固有的生物相容性，构成了一个多功能的生物测量平台。在这里，美国西北大学Chad A. Mirkin教授等人提供了从线性DNA结构到结构更复杂的纳米结构的转变如何彻底改变活细胞分析的演变视角。调节结构产生的探针可以不借助转染试剂进入细胞，并可以在单细胞器、单细胞、组织切片和整个有机体水平上检测、跟踪和量化活细胞中的分析物。研究描述了不同探针体系结构的优点和缺点，并描述了这些结构在阐明基础生物学以及开发改进的诊断和治疗系统方面所带来的进展。还讨论了该领域的突出挑战，并概述了潜在的解决方案。相关研究以“DNA-Based Nanostructures for Live-Cell Analysis”为题目，发表在JACS上。DOI: 10.1021/jacs.0c04978

图4 用于活细胞成像的核酸探针结构

用于燃料电池电催化的高指数面金属合金纳米粒子｜AM

美国西北大学Chad A. Mirkin教授等人将高折射率切面引入胶体合成纳米粒子的方法被用来制造成分均匀的Pt-M (M = Ni, Co, Cu)和Rh-M (M = Ni和Co)四面体纳米粒子。该方法的能够系统地研究催化剂活性用于液体燃料的各种电氧化反应。实验探索了它们的高指数面、过渡金属的内部合金化和表面Bi修饰对它们的电催化性能的各自贡献，得到了三个关键的发现。首先，高指数面的存在有利于提高研究的三类反应的催化活性。对于酸性电解液中甲醇的电氧化，由于表面Bi修饰的贡献很小，过渡金属合金化可以显著提高整体催化效率。然而，对于其他被研究的反应，表面Bi对提高催化活性有很大的促进作用，过渡金属合金化对其影响不大。最后，由于合金过渡金属原子的存在，多金属四面体粒子在长时间运行时比单金属粒子具有更好的稳定性。相关研究以“High-Index-Facet Metal-Alloy Nanoparticles as Fuel Cell Electrocatalysts”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202002849

图5 金属合金纳米颗粒STEM及EDS

纳米晶体的角、边和面控制生长｜Science Advances

精确控制纳米晶体(NC)形状和组成的能力在催化和等离子体等许多领域都是有用的。种子介导的策略已被证明对准备各种各样的结构是有效的，但对如何选择性地生长角、边和面的理解不足，限制了控制结构进化的一般策略的发展。在这里，美国西北大学Chad A. Mirkin教授等人报告了一种通用的合成策略，用于指导各向异性种子的位点特异性生长，以制备设计纳米结构库。这种策略利用成核能垒剖面和生长溶液的化学势来控制NCs的特定位置生长成奇异的形状和成分。该策略不仅可以控制各向异性种子的生长部位，而且可以控制新生长区域的暴露部位。许多形状的NCs被合成，包括超过10个从来没有报道过的NCs，原则上，还有很多其他的可能。相关研究以“Corner-, edge-, and facet-controlled growth of nanocrystals”为题目，发表在Science Advances上。DOI: 10.1126/sciadv.abf1410

图6 不同形状种子NCs的曲率选择性成核

MOF纳米粒子和DNA的胶体晶体工程｜Nature Commun.

核酸修饰纳米粒子的胶体晶体工程是制备三维超晶格的一种有效方法，在催化、传感、光子学等领域都有广泛的应用。迄今为止，研究的构件主要基于金属、金属氧化物、硫属半导体和蛋白质。在这里，美国西北大学Chad A. Mirkin教授等人展示了被寡核苷酸功能化的金属有机框架纳米粒子(MOF NPs)可以被编程结晶成具有明确晶体对称性和组成的多种超晶格。电子显微镜和小角度x射线散射表征证实了单组分MOF超晶格、二元MOF-Au单晶体和二维MOF纳米棒组装的形成。重要的是，DNA修饰的卟啉MOF纳米棒(PCN-222)被组装成2D超晶格，并被发现对2-氯乙基乙基硫化物(CEES)的光氧化具有催化活性。这些新材料和方法提供了获得胶体晶体的途径，这些胶体晶体结合了具有MOFs既定设计特性的粒子，因此，增加了DNA胶体晶体工程的可能性。相关研究以“Colloidal crystal engineering with metal–organic framework nanoparticles and DNA”为题目，发表在Nature Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-020-16339-w

图7 UiO-66 MOF PAEs的合成与表征

纳米级三相电化学通路促进Pt催化甲醛氧化｜Nano Letters

气相多相催化是在固体催化剂二维表面进行空间约束的过程。在这里，斯坦福大学崔屹教授等人引入了一个新的工具包来打开第三维度。研究发现，固体催化剂的活性可以通过在其表面覆盖一层纳米级薄的液体电解质而显著提高，同时保持气体反应物的有效输送，这一策略被称为三相催化。引入液体电解质，将原来的表面催化反应转化为在三维空间中由自由离子促进传质的电化学途径。文中选择甲醛氧化反应作为模型反应，发现Pt在三相催化反应中的周转频率比常规多相催化反应提高了2.5万倍。三相催化作为催化剂设计的一个新维度，并在从污染控制到石化工业的更多化学反应中展现潜在应用。相关研究以“Designing a Nanoscale Three-phase Electrochemical Pathway to Promote Pt-catalyzed Formaldehyde Oxidation”为题目，发表在Nano Letters上。DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03560

图8 三相催化材料设计

核磁共振揭示纳米级多孔碳的分子机理｜Matter

分级纳米孔碳(HNC)是一种有效的吸附挥发性有机物的吸附剂。然而，在层次结构调控、吸附质吸收的吸附机制和HNC内部的相互作用方面仍然存在问题。斯坦福大学崔屹教授等人以木材为原料，采用K₂CO₃活化的微波诱导加热方法合成HNC。HNC表现出Murray定律的多尺度结构，促进了通过核磁共振(NMR)吸附质的分子尺度研究。NMR化学位移与吸附剂产生的环电流效应一致。研究的NMR为测定吸附质在HNC中的吸附提供了一种简便的方法。挥发性有机化合物的吸附结果表明，随着时间的推移，NMR化学位移发生了变化，首先吸附到中孔，然后扩散到微孔。Schroeder定理可以通过观察到的液体与蒸汽相之间的变化来证明HNC。这些HNC具有较高的CO₂吸附能力，预示着在碳捕集方面的应用。相关研究以“Revealing Molecular Mechanisms in Hierarchical Nanoporous Carbon via Nuclear Magnetic Resonance”为题目，发表在Matter上。DOI: 10.1016/j.matt.2020.09.024

图9 HNC的制备及物理表征

为高效吸附和存储气体而设计的分级纳米孔膜｜Science Advances

氧化石墨烯等二维材料的纳米孔膜因其独特的分子筛分性能和操作简单，在挥发性有机化合物(VOCs)和H₂吸附方面引起了广泛关注。然而，石墨烯薄片的团聚和低效率仍然具有挑战性。因此，斯坦福大学崔屹教授等人设计了分层纳米多孔膜(HNMs)，这是一种由碳球和氧化石墨烯组成的纳米复合材料。分级碳球的制备遵循默里定律，使用化学活化结合微波加热，起到间隔和吸附剂的作用。分级碳球防止了氧化石墨烯的团聚，氧化石墨烯薄片物理分散，保证了结构的稳定性。所得HNMs中含有以超微孔和介孔组合为主的微孔，在200 ppmv条件下，VOCs/H₂的吸附量分别达到235和352 mg/g，3.3重量% (77 K和1.2 bar)。该工作极大地扩展了HNMs在环境和能源领域的应用潜力。相关研究以“Designing hierarchical nanoporous membranes for highly efficient gas adsorption and storage”为题目，发表在Science Advances上。DOI: 10.1126/sciadv.abb0694

图10 GO膜、碳球膜和HNMs膜的示意图比较

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