顶刊动态 | Nature子刊/Nano Letters/Angew等纳米材料最新学术进展汇总【20160723期】
1、ACS Nano: 单分子、单细胞以及纳米尺度力谱中的基本高速限度
图1 力谱探针运动机理
力谱方法能够加深扩展人们对单生物分子、单细胞以及纳米力学的理解。高速原子力显微技术（AFM）已经发展到以视频率进行成像的模式，相似的高速方法也被用于记录力-距离曲线。实际上，单分子和单细胞力谱理论涉及到两个方面的内容。一是悬臂-探针末端系统。另一个则是将力谱特征转换成非结合力或者杨氏模量图等的方法。
近期，西班牙马德里材料研究所的Ricardo Garcia（通讯作者）等人发表文章介绍了关于力谱的悬臂-探针末端系统动力学理论。这个理论表示悬臂偏移归因于三个来源，即探针末端-样品相互作用，水动力学以及惯性力。在该项理论研究里，当水动力学以及惯性力可以忽略不计时，力-距离曲线可以很准确的测量探针末端-样品之间的相互作用。他们还证明，频率比例对测定杨氏模量是至关重要的，最佳的比例值可以测量1kPa到200kPa范围内任何固体表面的杨氏模量。
文献链接：Fundamental High-Speed Limits in Single-Molecule, Single-Cell, and Nanoscale Force Spectroscopies（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03262）
2、Angewandte: 钛掺杂非晶氧化硅钝化层用于显著增强赤铁矿基光电化学分解
图2 Ti-(SiOx/np-Fe2O3)的制备
光电化学（PEC）水分解是一种极具前景的清洁能源生产系统，在该系统中通过将水分解成氢气和氧气，来捕获和储存太阳能。许多半导体材料，诸如二氧化钛、氧化锌等在PEC系统中被用作可以产生光活化电子-空穴对的光阳极材料。在这之外，诸如氧化铝薄层等材料可以作为钝化层，通过降低分解水反应的启动电压以及阻止阳极材料和电解液的直接接触来提升和稳定电极材料的PEC性能。该项研究此前已应用于三氧化二铁材料。然而此前的钝化层材料具有碱性不稳定以及对半导体材料粘附性差等特点，从而导致极端环境水溶液中PEC器件的长程稳定性下降。
韩国基础科学研究所（IBS）的Ji-Hyun Jang(通讯作者)等人报道了由钛掺杂非晶氧化硅钝化层原位制备的钛掺杂多孔三氧化二铁光阳极材料。通过简单的水热/退火过程，钛掺杂非晶氧化硅钝化层可以诱发Ti-(SiOx/np-Fe2O3)产生纳米孔，并且通过钝化赤铁矿表面状态使得电荷传输更加方便。该项研究使得材料的光电流密度在1.23VRHE达到2.43mAcm-2，是传统Ti-Fe2O3材料性能的2倍，并且其在碱性电解液中可以保持20h不退化。
文献链接：A Titanium-Doped SiOx Passivation Layer for Greatly Enhanced Performance of a Hematite-Based Photoelectrochemical System （Angewandte Chemie International Edition，2016，DOI: 10.1002/anie.201603666）
3、Nano Letters：具有亚纳米分辨率的单壁碳纳米管的针尖增强拉曼光谱成像
图3 （a）STM-TERS实验装置示意图；（b）Ag（111）衬底上的孤立碳纳米管的STM形貌图（扫描条件：1V，10pA）；（c）在图b中相应标注位置测得的TERS图谱（测量条件：0.1V，500pA，20s）
获取单个碳纳米管的高空间分辨率的化学信息对认识其结构、性质和应用具有十分重要的意义。然而，单壁碳纳米管的常规表征方法（如透射电镜、扫描电镜、拉曼光谱和红外光谱等）要么无法同时获得微观结构的化学信息（如电镜），要么空间分辨率无法突破光学衍射半波长限制（如常规远场拉曼）。针尖增强拉曼光谱（Tip-enhanced Raman spectroscopy，TERS）结合了扫描探针显微镜的超高空间分辨率和拉曼散射对振动指纹的敏感化学特异性的优点，使得该目标的实现成为可能。
来自中国科学技术大学的董振超（通讯作者）课题组用低温超高真空扫描隧道显微镜操纵银针尖，获得了Ag(111)衬底上单个碳纳米管的针尖增强拉曼光谱。由于银纳米间隙提供的强大的高度局域化等离子场，CNTs的空间分辨率达到了史无前例的0.7nm！如此高的空间分辨率可以实现纳米尺度下在实空间内可视化观察缺陷引起的D带散射，追踪应变诱导的光谱演变，以及识别弯曲的CNT的内外两侧的光谱差异。该研究成果表明，针尖增强拉曼光谱不仅可以用于化学识别，而且可以作为在亚纳米尺度研究低维纳米结构的缺陷和应变的一种强大工具。这一成果有助于进一步理解、设计及控制纳米尺度材料和器件的性能。
文献链接：Tip-Enhanced Raman Spectroscopic Imaging of Individual Carbon Nanotubes with Subnanometer Resolution（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00533）
4、Nature Communications：碳纳米管快速成像技术
图4 对硝基苯甲酸在碳纳米管上的优先吸附
碳纳米管（CNTs）自被发现以来就由于其前所未有的性能而引起了研究人员的广泛关注。然而，碳纳米管在实际应用中的一个主要的缺点在于其难以定位或难以在特定的位置生长。目前，最常见的两种成像技术分别基于扫描电子显微镜（SEM）或原子力显微镜（AFM）。然而，这两种方法都是侵入性的，成像缓慢且难以扩大成像范围。
来自以色列的Y. E. Yaish（通讯作者）等人发明了一种简便、快速、具有非侵入性和可伸缩性的碳纳米管的光学成像技术。碳纳米管支架被作为籽晶，促进小尺寸、光学可见纳米晶体的成核和生长。采用这种非侵入性的方法成像后，分子可以被完全移除，碳纳米管的表面可保持完好无损，因而不影响其电学性能和机械性能。该方法的标记和成像程序是可调节的，使基于碳纳米管的电路的自动设计和制造成为可能。研究人员展示了p和n型碳纳米管场效应晶体管（CNTFETs）及逆变器的自动合成，并且结果表明CNTs的电学性能在该过程中保持不变。该方法可以为硅技术与纳米电子学的结合提供一个真正的平台。
文献链接：Automated circuit fabrication and direct characterization of carbon nanotube vibrations（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms12153）
5、Nano letters：硅衬底GaAs纳米线上的密闭液滴交替脉冲外延法
图5 不同温度下Si基GaAs在110方向的生长情况的SEM图
脉冲外延方法这种非常规的增长模式是对迁移外延的一个改进，可实现沿着纳米线轴线的高度定向生长，可应用于靶向输送等领域。
德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心的Emmanouil Dimakis教授（通讯作者）等人利用密闭液滴交替脉冲外延方法在Si衬底的GaAs纳米线(111)进行自催化生长，温度从550℃下降至450℃。这种非常规的增长模式是对迁移外延的一个改进，其中Ga和AS4进行脉冲交替，而不是连续供应。Ga液滴在110方向扩散的提高可用作纳米线顶端向Ga液滴的靶向输送，因此，可以用作低温450℃下沿着纳米线轴线的高度定向生长。研究证明，轴向增长可能在没有任何缺陷的形成的情况下在任何时间被简单地突然中断，然而，生长速率可仅由随机自然成核而高精确度地控制到单层规模。利用这些独特的可能性，大家能够探测和定量地描述专门设计的实验中Ga液滴内As种群动态。毕竟，这一生长机制结合了所有实现精确生长控制以及Si-CMOS基板的生长机理和兼容性等所有必要的元素。
文献链接：Droplet-Confined Alternate Pulsed Epitaxy of GaAs Nanowires on Si Substrates down to CMOS-Compatible Temperatures （Nano letters，2016 ， DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00527）
6、Nano letters：硅纳米线森林垂直沉积金属层制备电子硅片
过去几年，硅纳米线（SiNWs）发展为各种各样的应用程序的构建模块，如先进的电子器件、高度敏感的增强传感器、先进的太阳能电池等等。最近，研究证明了在特定体积下，由于其高热电转换效率，硅纳米线的导热系数急速下降，在温差电池领域很有前景。
比萨大学Elisabetta Dimaggio（通讯作者）等人采用了在大量的硅纳米线垂直顶部的末端产生电（热）接触，垂直地来制作的电子硅片（硅纳米线森林）的方法。这项技术是基于电化学沉积的铜并发展到硅纳米线森林上，使用金属辅助化学腐蚀法实现。我们证明铜选择性地只在硅纳米线森林最高的末端形成一层片层。预存的金属种子对于选择性生长十分关键，与此同时，这一过程与其他参数十分相关，如电解溶液浓度和电流密度、金属沉积期间的使用。不同掺杂硅纳米线森林自上而下传导典型的I−V特性进行了讨论和展示。这种基于大量纳米线，简单而低成本的制备方法为生产有能力处理大功率的电力设备提供了可能，因而能够应用于多种领域。
文献链接：Reliable Fabrication of Metal Contacts on Silicon Nanowire Forests（Nano Letters ， 2016 ， DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01440）
7、Nano letters: 通过皮肤和呼吸检测生理指标预防疾病的可穿戴自愈合传感器
图7 以金纳米粒子配体为基础的自愈合传感器合成步骤示意图
在早期诊断中，灵活且可穿戴的电子传感器对于连续监测个人的健康状况非常重要。在早期阶段检测非侵入性疾病状态，可以通过人类呼吸/皮肤的挥发性有机化合物（VOCs）或监测心脏跳动/呼吸率的突变来进行监测。然而，目前报道的可穿戴式传感设备，由于人的无意识行为致使其出现划痕和/或机械切割，从而造成设备出现故障。
来自以色列理工学院的Hossam Haick（通讯作者）等人证明了以纳米粒子为基础的灵活传感器阵列具有引人注目的自我愈合能力。一个传感器阵列由5种官能化的金纳米粒子配体（GNP）的薄片整合成自愈合聚合物基材，提供了一个快速自愈合速率（＜3h）以及在衬底和传感膜上令人满意的愈合效率。合成的基材用于传感压力和探测11种挥发性有机化合物。即使在完全愈合时，监测挥发性有机化合物和压力的变化方面，传感器阵列具有灵敏度高，检测局限性低和辨别性能良好的特性。这些结果预示出这种新型智能传感设备在检测和/或临床应用方面具有监测多样化性能。
文献链接：Self-Healable Sensors based Nanoparticles for Detecting Physiological Markers via Skin and Breath: Towards Disease Prevention via Wearable Devices（Nano letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01066）
8、Nature Communications: 合成直径小于5 nm的非聚集球晶获得超弹性水凝胶
图8 聚丙烯酰胺与来自硅酸三钙中的纳米晶体交联示意图
在纳米复合水凝胶（NC gels）中，纳米粒子表面上的聚合物链交联形成一个强大的网络，因此可提高其机械性能，从而大大提高水凝胶的应用范围。然而，大表面积或纳米颗粒的团簇导致的交联点分布不均，致使颗粒的尺寸至少从一维角度来看显得过大，这对增强纳米复合水凝胶性能有很大阻碍作用。
来自香港科技大学的Zongjin Li（通讯作者）等人报导了一种合成非聚集球型纳米颗粒的新方法，在水溶液中用直径小于5 nm的颗粒能增强水凝胶延展性。在只有40p.p.m.颗粒含量时应力和所研究的纳米复合水凝胶断裂延伸率分别达430和121 kPa。含200p.p.m.纳米颗粒的纳米复合水凝胶在承受100MPa的压应力时，可以回复原始尺寸的90%。研究结果表明，在无机物含量非常低的情况下，控制分散性好的纳米颗粒粒径有助于构建一个超弹性和高韧性的水凝胶网络。
文献链接：Super stretchable hydrogel achieved by non-aggregated spherulites with diameters <5 nm（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms12095）
该文献汇总由材料人编辑部学术组Shi-xiong chern、sea、Xu、谢畅供稿，材料牛编辑整理。
材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。
文章评论(0)