研究人员发明单分子阀门 实现纳米通道中的单分子流动

研究人员发明单分子阀门实现纳米通道中的单分子流动为了克服这一障碍，能够通过非常狭窄的通道（尺寸类似于百万分之一根吸管）输送分子的"纳米流体装置"，作为直接控制溶液中单个分子的一种手段，已经引起了人们的兴趣。由大阪都立大学工程研究生院的YanXu副教授领导的一个联合研究小组已经成功地通过施加外部压力打开和关闭纳米流体装置中的一个纳米阀来调节溶液中单个分子的流动。单分子阀的工作原理示意图，Cy3在纳米通道中的单分子流动研究小组制造了一个纳米流体装置，其顶部是一块薄薄的柔性玻璃板，底部是一块带有小结构的硬质玻璃板，以此形成纳米通道和纳米阀座。通过向柔性玻璃片施加外部压力来打开和关闭阀门，他们成功地直接操纵和控制了溶液中单个分子的流动。他们还发现，当他们将单个荧光分子困在阀门内部的纳米空间时，单个分子的荧光变得更加明亮。这是因为狭小的空间使单分子难以随机移动。Xu教授说，"这种荧光信号放大的效果可以帮助检测极少量的病原体，用于癌症和帕金森病等疾病的早期诊断，而不需要昂贵的设备。"这项研究的结果可能是朝着使用单分子作为溶液中的构件自由组装材料迈出的重要一步。这项技术有可能在各个领域发挥作用，例如开发治疗罕见疾病的个性化药物和创造更好的显示器和电池，应用前景广泛。"我们一直在通过提出和推广'单分子调控化学（SMRC）'的概念来应对各种挑战，在这个概念中，分子被视为构件，溶液中的化学和生物化学反应的所有过程都在单分子基础上进行。Xu教授说："单分子阀门标志着向这一目标迈出了第一步，有朝一日，它可以彻底改变化学、生物学和材料科学，并改变各种行业。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358525.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358525.htm

研究人员发现地球大气层自我清洁的一种方式

研究人员发现地球大气层自我清洁的一种方式加州大学欧文分校的化学家帮助阐明了一种空气净化分子的形成。研究人员发现了一种新的机制，通过空气中的水滴和周围空气之间表面的强电场产生氢氧化物（OH），这可以帮助大气层自行清除污染物和温室气体。这一发现挑战了以前的信念，并可能大大改变空气污染模型。人类活动向空气中排放了许多种类的污染物，如果没有一种叫做氢氧化物（OH）的分子，这些污染物中有许多会一直在大气中聚集。OH本身如何在大气中形成被视为一个完整的故事，但是在4月3日发表在《美国国家科学院院刊》上的新研究中，包括加州大学欧文分校化学教授SergeyNizkorodov在内的一个研究小组报告说，存在于空气中的水滴和周围空气之间表面的强电场可以通过一个以前未知的机制创造OH。这一发现将重塑科学家对空气如何清除人类排放的污染物和温室气体的理解，羟基可以与之发生反应并消除。Nizkorodov说："需要OH来氧化碳氢化合物，否则它们会无限期地在大气中堆积。""OH是大气化学故事中的一个关键角色。"法国里昂大学的大气化学家、这项新研究的主要作者克里斯蒂安-乔治说："它启动了分解空气中污染物的反应，并帮助从大气中清除有毒的化学物质，如二氧化硫和一氧化氮，这些都是有毒的气体。"因此，充分了解其来源和汇是理解和减轻空气污染的关键。"之前，研究人员假设阳光是OH形成的主要驱动力。"传统的经验是，必须通过光化学或氧化还原化学来制造OH。你必须有阳光或金属作为催化剂，"Nizkorodov说。"这篇论文实质上说的是你不需要任何这些。在纯水本身，OH可以通过水滴表面的特殊条件自发地产生。"UCI化学教授SergeyNizkorodov（左）和法国里昂大学国家科学研究中心的大气化学家ChristianGeorge领导了一个项目，对氢氧化物分子如何帮助清除大气中人类排放的污染物和温室气体得出了新的认识。资料来源：UCI该团队建立在由RichardZare领导的斯坦福大学科学家的研究基础上，该研究报告了过氧化氢在水滴表面的自发形成。新的发现有助于解释Zare小组的意外结果。该研究小组测量了不同小瓶中的OH浓度--一些含有空气-水表面，另一些只含有水，没有任何空气--并通过在小瓶中加入一种"探针"分子，在与OH反应时发出荧光，在黑暗中跟踪OH的产生。他们所看到的是，黑暗中的OH生成率反映了那些甚至超过了像阳光照射这样的驱动因素的比率。"Nizkorodov说："将产生足够的OH，与其他已知的OH来源竞争。在夜间，当没有光化学作用时，仍然会产生OH，而且其产生的速度比其他情况下要高"。这些发现改变了对OH来源的理解，这将改变其他研究人员如何建立试图预测空气污染如何发生的计算机模型。它可以相当显著地改变空气污染模型。OH是水滴内的一种重要氧化剂，而模型中的主要假设是OH来自空气，它不是在水滴中直接产生的。为了确定这种新的OH产生机制是否发挥作用，Nizkorodov认为下一步是在世界不同地区的真实大气中进行精心设计的实验。但首先，该团队希望这些结果能在大气研究界引起轰动。UCI是这种科学继续发生的主要场所，UCI的其他实验室，如化学教授AnnMarieCarlton的实验室也在集中精力研究水滴在大气中发挥的作用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353873.htm

研究人员发明了一种防水、不含凝胶的心电图电极

研究人员发明了一种防水、不含凝胶的心电图电极研究人员开发出一种超薄、防水、不含凝胶的心电图电极用于连续心脏监测，与市场上现有的设备相比，这种电极更舒适，对皮肤的刺激更小，同时还能精确测量心脏的电活动。这项研究的通讯作者之一马杜-巴斯卡兰（MadhuBhaskaran）说："市售的可穿戴心电图设备通常笨重，有12个'湿'电极连接病人和设备，而皇家墨尔本理工大学的发明可以放在手掌中。湿电极很不舒服，时间长了会变干，而且已知会引起皮肤过敏。皇家墨尔本理工大学的设备能有效捕捉心脏活动，无论用户是在休息还是在经历压力。"研究人员选择使用金作为干电极的材料，因为金具有化学惰性、高导电性和生物相容性。在电极中加入金薄膜使其重量更轻，表面积与体积比更大，有助于有效采集心电信号。在尝试了几种形状后，他们最终选择了六边形设计；这种设计能很好地贴合皮肤的弧度，并能更准确地捕捉心电信号。心电图设备的艺术效果图，显示了包括敷料、蓝牙模块和干电极在内的各个层次。与其他通常重达几百克的可穿戴心电图监护仪相比，该设备仅重10克（0.3盎司）。典型的心电图需要12个电极，而研究人员发现，只需3个纳米级的薄电极就能有效监测人的心脏。与传统的12导联心电图相比，干电极的精确度不相上下。该研究的第一作者和通讯作者彼得-埃兰戈（PeterElango）说："干电极的宽度不到人的头发丝的十分之一，对使用者的心脏信号高度敏感。"电极是无线的，可通过蓝牙连接到心电图机。而且它们可以放置在通常不会放置的部位，比如后颈部，这虽然不寻常，但也有好处。Elango说："该设备即使安装在人的颈后，也能捕捉到心电信号，非常适合老年护理领域的病人，包括可能会将其从胸前取下的痴呆症患者。这种电极还具有疏水性，这意味着它们不会被弄湿，因此用户可以在游泳和淋浴等水中活动时佩戴该设备，这与其他心电监测仪不同。"根据研究人员的设想，他们的可穿戴干电极可用于远程医疗保健和非卧床护理环境，也可作为预防性医疗设备使用。除了作为独立设备使用外，它们还有可能嵌入可穿戴织物，用于长期心脏监测。这项研究发表在《AIP应用物理评论》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393595.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393595.htm

研究人员发明一种扭曲的多层晶体结构 为经典“材料设计”注入新的活力

研究人员发明一种扭曲的多层晶体结构为经典“材料设计”注入新的活力科学家们发现，当晶体被夹在两个基底之间时，它们会发生扭曲--这是探索电子和其他应用领域新材料特性的关键一步。来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员首次培育出了一种扭曲的多层晶体结构，并测量了该结构的关键特性。这种创新结构有望帮助创造先进的材料，应用于太阳能电池、量子计算、激光器和其他各种技术。"这种结构是我们以前从未见过的--这对我来说是一个巨大的惊喜，"斯坦福大学和SLAC教授、论文合著者崔毅说。"在未来的实验中，这种三层扭曲结构中可能会出现一种新的量子电子特性。"该团队设计的晶体扩展了外延生长的概念，即一种晶体材料有序地生长在另一种材料之上的现象--有点像在土壤之上长出整齐的草坪，但却是原子级的。50多年来，了解外延生长对许多行业，尤其是半导体行业的发展至关重要。事实上，外延生长是我们今天使用的许多电子设备的一部分，从手机、电脑到太阳能电池板，都允许电力在其中流动或不流动。迄今为止，外延研究的重点是在一层材料上生长另一层材料，并且两种材料在界面上具有相同的晶体取向。几十年来，这种方法在晶体管、发光二极管、激光器和量子设备等许多应用领域都取得了成功。但是，为了找到性能更好的新材料，以满足量子计算等更高的需求，研究人员正在寻找其他外延设计--可能更复杂但性能更好的外延设计，这就是本研究中展示的"扭曲外延"概念。在最近发表在《科学》（Science）杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的实验，研究人员在传统半导体材料二硫化钼（MoS2）的两层薄片之间添加了一层金。崔教授在斯坦福大学材料科学与工程系的研究生、该论文的共同作者崔毅（音译）说，由于上下两层板的方向不同，金原子无法同时与两层板对齐，因此金结构发生了扭曲。研究生崔毅说："只有底层MoS2时，金很乐意与之对齐，因此不会发生扭曲。但如果有两层扭曲的MoS2，金就不能确定是与顶层对齐还是与底层对齐。我们设法帮助金解决了它的困惑，并发现了金的取向与双层MoS2扭转角度之间的关系。"为了详细研究金层，斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）和LBNL的研究团队将整个结构的样品加热到500摄氏度。然后，他们利用一种名为透射电子显微镜（TEM）的技术将电子流穿过样品，从而揭示了金纳米盘在不同温度下退火后的形态、取向和应变。测量金纳米盘的这些特性是了解未来如何将新结构设计用于实际应用的必要第一步。崔说："如果没有这项研究，我们根本不知道在半导体顶部扭曲金属外延层是否可能。用电子显微镜测量完整的三层结构证实，这不仅是可能的，而且可以用令人兴奋的方式控制新结构"。下一步，研究人员希望利用TEM进一步研究金纳米盘的光学特性，并了解其设计是否会改变金的带状结构等物理特性。他们还希望扩展这一概念，尝试用其他半导体材料和其他金属构建三层结构。斯坦福大学材料科学与工程学院查尔斯-皮戈特（CharlesM.Pigott）教授、论文合著者鲍勃-辛克莱尔（BobSinclair）说："我们正在开始探索是否只有这种材料组合才能实现这种效果，或者这种效果是否会更广泛地发生。这一发现开启了我们可以尝试的一系列全新实验。我们可能即将找到可以利用的全新材料特性。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420015.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420015.htm

研究人员正在探索多肽-DNA混合纳米结构 可能成为一种人造生命形式

研究人员正在探索多肽-DNA混合纳米结构可能成为一种人造生命形式与此同时，问题也随之而来：在地球上，所有生命形式都是大自然创造的，都有自己的位置和目的。南丹麦大学物理、化学和药学系的娄晨光副教授与肯特州立大学的毛汉斌教授设计了一种特殊人工杂交分子的母体，这种分子可能导致人工生命形式的产生。他们在《细胞报告物理科学》（CellReportsPhysicalScience）杂志上发表了一篇综述，介绍了其创造背后这一领域的研究现状。该领域被称为"肽-DNA杂化纳米结构"，是一个新兴领域，成立不到十年。人工生命的潜在应用娄的愿景是创造病毒疫苗（病毒的改良版和弱化版）和可用于诊断和治疗疾病的人工生命形式。"在自然界中，大多数生物都有天敌，但有些生物没有。例如，有些致病病毒没有天敌。创造一种能与之为敌的人造生命体将是顺理成章的一步，"他说。同样，在他的设想中，这种人造生命体可以作为疫苗来预防病毒感染，还可以作为纳米机器人或纳米机器，装载药物或诊断元素，然后送入病人体内。"人工病毒疫苗可能还需要10年左右的时间。而人造细胞则是箭在弦上，因为它由许多元素组成，在我们开始制造之前需要对这些元素进行控制。但是，根据我们掌握的知识，原则上未来制造人造细胞生物体没有任何障碍。"分子构件娄和他在这一领域的同事们将利用哪些构件来制造病毒疫苗和人造生命？DNA和肽是自然界中最重要的生物分子，因此DNA技术和肽技术是当今纳米技术工具包中最强大的两种分子工具。DNA技术可以精确控制从原子到宏观层面的编程，但它只能提供有限的化学功能，因为它只有四个碱基：A、C、G和T。而肽技术则可以提供足够的大规模化学功能，因为有20种氨基酸可供使用。大自然利用DNA和肽来构建细胞中的各种蛋白质工厂，使它们进化成生物体。最近，毛汉斌和娄晨光成功地将设计好的三链DNA结构与三链肽结构连接起来，从而创造出一种兼具两者优点的人工混合分子。这项研究成果于2022年发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上。杂交结构的全球进展在世界其他地方，其他研究人员也在致力于将DNA和肽连接起来，因为这种连接为开发更先进的生物实体和生命形式奠定了坚实的基础。牛津大学的研究人员成功地制造出一种由DNA和肽组成的纳米机械，它可以钻过细胞膜，形成一个人工膜通道，让小分子可以通过。(Spruijt等人，Nat.Nanotechnol.2018，13，739-745）。在亚利桑那州立大学，尼古拉斯-斯蒂芬诺普洛斯及其同事使DNA和肽能够自组装成二维和三维结构。(Buchbergeretal.,J.Am.Chem.Soc.2020,142,1406-1416)西北大学的研究人员已经证明，在DNA和肽自我组装的同时还能形成微纤维。DNA和肽在纳米级水平上运行，因此考虑到尺寸差异，微纤维是巨大的（Freeman等人，《科学》，2018年，362期，808-813）。在内盖夫本古里安大学，科学家们利用混合分子创造了一种洋葱状球形结构，其中含有抗癌药物，有望用于体内靶向治疗癌症肿瘤。(Chotera等人，Chem.Eur.J.,2018,24,10128-10135)"在我看来，所有这些努力的总体价值在于，它们可以用来提高社会诊断和治疗病人的能力。展望未来，如果有一天我们能用这些构件任意创造出混合纳米机器、病毒疫苗，甚至人造生命体，帮助社会对抗那些难以治愈的疾病，我也不会感到惊讶。这将是医疗保健领域的一场革命。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388653.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388653.htm

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构浦项科技大学（POSTECH）化学系的SoojinPark教授和博士生Dong-YeobHan与韩国能源研究所（KIER）的GyujinSong博士以及浦项N.EX.THUB的研究团队合作开发出了一种三维聚合物结构。这种轻质结构有利于锂（Li）离子的传输。他们的研究成果最近发表在国际期刊《先进科学》（AdvancedScience）的网络版上。电池技术的进步用于电动汽车和智能手机等电子设备的电池技术不断发展。值得注意的是，锂金属阳极的能量容量为3860mAh/g，是目前商业化石墨阳极的十倍以上。锂金属阳极可以在更小的空间内储存更多的能量，而且与石墨或硅不同，锂金属阳极可以作为电极直接参与电化学反应。然而，在充电和放电过程中，锂离子的不均匀分布会产生被称为"死锂"的区域，从而降低电池的容量和性能。此外，当锂向一个方向增长时，它可能会到达相反一侧的阴极，从而造成内部短路。虽然最近的研究重点是优化三维结构中的锂传输，但这些结构大多依赖重金属，大大降低了电池的单位重量能量密度。锂电沉积后的混合结构内部几何形状示意图。资料来源：POSTECH用于阳极的创新型三维结构为了解决这个问题，研究小组利用聚乙烯醇（一种对锂离子具有高亲和力的轻质聚合物）与单壁碳纳米管和纳米碳球相结合，开发出了一种混合多孔结构。这种结构比通常用于电池阳极的铜（Cu）集流体轻五倍以上，对锂离子有很高的亲和力，有利于锂离子通过三维多孔结构中的空隙迁移，实现均匀的锂电沉积。在实验中，采用了该团队三维结构的锂金属阳极电池在经过200多次充放电循环后表现出很高的稳定性，并达到了344Wh/kg（能量与电池总重量之比）的高能量密度。值得注意的是，这些实验使用的是代表实际工业应用的袋装电池，而不是实验室规模的纽扣电池，这凸显了该技术商业化的巨大潜力。POSTECH的SoojinPark教授表达了这项研究的意义，他说："这项研究为最大限度地提高锂金属电池的能量密度开辟了新的可能性"。KIER的GyujinSong博士强调说："这种结构兼具轻质特性和高能量密度，是未来电池技术的一个突破"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433139.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433139.htm