哥伦比亚大学工程师开发出光控分子设备

哥伦比亚大学工程师开发出光控分子设备 利用光来控制电子特性，哥伦比亚工程公司的新型单分子器件具有直接的金属-金属接触，标志着分子电子学的重大进展，有望提高电子元件的微型化和效率。资料来源：文卡特拉曼实验室挑战随着设备不断缩小，其电子元件也必须微型化。使用有机分子作为导电通道的单分子器件有可能解决传统半导体所面临的微型化和功能化难题。这种器件提供了利用光进行外部控制的令人兴奋的可能性，但到目前为止，研究人员还无法证明这一点。分子电子学先驱、劳伦斯-古斯曼应用物理学教授兼哥伦比亚大学工程学院化学教授拉塔-文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）说："通过这项工作，我们开启了分子电子学的一个新维度，即可以用光来控制分子如何在两个金属电极之间的间隙中结合。"这就像是在纳米尺度上打开了一个开关，为设计更智能、更高效的电子元件开辟了各种可能性。"方法近二十年来，Venkataraman 的研究小组一直在研究单分子器件的基本特性，探索纳米尺度上物理、化学和工程学的相互作用。她的研究重点是构建具有各种功能的单分子电路，即一个分子连接两个电极，电路结构以原子精度定义。她的研究小组以及利用碳基二维材料石墨烯制造功能器件的研究小组都知道，在金属电极和碳系统之间建立良好的电接触是一项重大挑战。解决方案之一是使用有机金属分子，并设计出将电导线与分子内的金属原子连接起来的方法。为了实现这一目标，他们决定探索使用有机金属含铁二茂铁分子，这种分子也被认为是纳米技术世界中的微小积木。就像乐高积木可以堆砌出复杂的结构一样，二茂铁分子也可以用作构建超小型电子设备的积木。研究小组使用了一种以二茂铁基团为端基的分子，该分子由两个碳基环戊二烯环组成，环戊二烯环夹着一个铁原子。然后，他们利用二茂铁分子的电化学特性，在分子处于氧化状态（即铁原子失去一个电子）时，在二茂铁铁中心和金（Au）电极之间形成直接键合。在这种状态下，他们发现二茂铁可以与用于连接分子和外部电路的金电极结合。从技术上讲，氧化二茂铁可以使 Au0 与 Fe3+ 中心结合。该研究的第一作者 Woojung Lee 是 Venkararaman 实验室的一名博士生，他说："通过利用光诱导氧化，我们找到了一种在室温下操纵这些微小构件的方法，为未来在分子水平上利用光控制电子设备的行为打开了大门。"潜在影响Venkataraman 的新方法将使她的团队能够扩展用于创建单分子器件的分子终端（接触）化学类型。这项研究还表明，利用光来改变二茂铁的氧化态，就能打开或关闭这种接触，从而展示了一种基于二茂铁的光开关单分子器件。这种光控器件可为开发响应特定光波长的传感器和开关铺平道路，从而为各种技术提供用途更广、效率更高的元件。团队这项工作是一项涉及合成、测量和计算的合作成果。合成工作主要由 Michael Inkpen 在哥伦比亚大学完成，他曾是 Venkataraman 小组的博士后，现在是南加州大学的助理教授。所有的测量工作都是由 Venkataraman 小组的研究生 Woojung Lee 完成的。计算由文卡塔拉曼小组的研究生和德国雷根斯堡大学的合作者共同完成。下一步行动研究人员目前正在探索光控单分子器件的实际应用。这可能包括优化器件性能、研究它们在不同环境条件下的行为，以及完善金属-金属界面所带来的其他功能。 ... PC版： 手机版：

新型人工智能系统能够预测药物分子如何发生化学变化

新型人工智能系统能够预测药物分子如何发生化学变化 "这种方法有可能大大减少所需的实验室实验数量，从而提高化学合成的效率和可持续性，"相应论文的第一作者大卫-尼帕（David Nippa）说，该论文已发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）杂志上。Nippa 是 LMU 化学与药学系和罗氏公司 David Konrad 博士研究小组的博士生。活性药物成分通常由一个框架组成，框架上附有功能基团。这些基团具有特定的生物功能。为了实现新的或更好的医疗效果，需要改变功能基团并将其添加到框架中的新位置。然而，这一过程在化学领域尤其具有挑战性，因为主要由碳原子和氢原子组成的框架本身几乎不具有活性。活化框架的一种方法是所谓的硼化反应。在这一过程中，含有硼元素的化学基团被连接到框架的碳原子上。然后，这个硼基团可以被各种具有医疗效果的基团所取代。虽然硼化反应潜力巨大，但在实验室中却很难控制。大卫-尼帕与苏黎世联邦理工学院的博士生肯尼思-阿茨（Kenneth Atz）共同开发了一个人工智能模型，该模型是根据罗氏公司自动化实验室值得信赖的科学著作和实验数据训练而成的。它可以成功预测任何分子的硼酸化位置，并为化学转化提供最佳条件。阿茨说："有趣的是，当考虑到起始材料的三维信息，而不仅仅是它们的二维化学式时，预测结果有所改善。"该方法已成功用于确定现有活性成分中可引入额外活性基团的位置。这有助于研究人员更快地开发出已知药物活性成分的更有效的新变体。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家竞相完善有望取代Paxlovid的新型COVID-19口服药

科学家竞相完善有望取代Paxlovid的新型COVID-19口服药 他们发表在《科学》杂志上的报告显示，一种替代药物病毒木瓜蛋白酶样蛋白酶抑制剂能抑制动物的疾病进展，这是人类药物试验前的必要步骤。该研究的资深作者、罗格斯大学欧内斯特-马里奥药学院研究实验室副教授王军（音译）说："COVID-19仍然是全美第三大死亡原因，因此，我们已经非常需要更多的治疗方案。当 COVID-19 不可避免地发生突变，导致 Paxlovid 无法发挥作用时，这种需求将变得更加迫切。"罗格斯大学的研究小组希望研制出一种能干扰病毒木瓜蛋白酶（PLpro）的药物，这种蛋白在所有已知的 COVID-19 株系中都发挥着重要功能。制作这种药物需要有关 PLpro 结构的详细信息，而王军的团队从罗格斯大学先进生物技术和医学中心 (CABM) 的 Arnold 实验室获得了这些信息。对 PLpro 结构的精确了解使王军的团队能够设计和合成 85 种候选药物，这些药物将与这一重要蛋白质结合并对其产生干扰。PLpro晶体结构显示了候选药物分子与蛋白质靶点结合的意想不到的排列方式，这为王教授的药物化学团队提供了创新的设计思路，CABM和罗格斯大学化学与化学生物学系教授Eddy Arnold说，"PLpro晶体结构显示了候选药物分子与蛋白质靶点结合的意想不到的排列方式，这为王教授的药物化学团队提供了创新的设计思路，"Eddy Arnold说。实验室测试表明，这些候选药物中最有效的是一种名为 Jun12682 的化合物，它能抑制几种SARS-CoV-2病毒株，包括能抵抗 Paxlovid 治疗的病毒株。俄克拉荷马州立大学的Deng实验室随后对感染 SARS-CoV-2 的小鼠进行的测试表明，口服 Jun12682 可以减少病毒的肺负荷和病变，同时提高存活率。王说："我们在小鼠身上的治疗效果与 Paxlovid 在最初动物试验中的效果差不多。Paxlovid会干扰许多处方药，而大多数面临严重COVID-19最高风险的人都会服用其他处方药，因此这确实是个问题，我们针对主要的药物代谢酶测试了我们的候选药物Jun12682，没有证据表明它会干扰其他药物。"罗格斯大学已为 Jun12682 和其他 84 种候选药物提交了专利申请，并正在寻找合作伙伴，以帮助候选药物进入进一步的测试和开发阶段。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1126/science.adm9724 ... PC版： 手机版：

研究表明RNA分子的化学特性可能在复杂生命形式的发展过程中起到重要作用

研究表明RNA分子的化学特性可能在复杂生命形式的发展过程中起到重要作用 在早期荒凉的地球上，复杂生命是如何进化的？最初，一定是核糖核酸（RNA）携带了最初的遗传信息。这些生物大分子要在其序列中积累复杂性，就需要释放水。然而，在主要被海水覆盖的早期地球上，这一过程具有挑战性。在最近发表在《美国化学学会杂志》（JACS）上的一篇论文中，德国慕尼黑大学教授迪特尔-布劳恩（Dieter Braun）团队的研究人员表明，在 RNA 与周围水的斗争中，它的天然循环能力和合适的环境条件可能起着决定性的作用。前生物环境中的分子进化合作研究中心（CRC）发言人兼ORIGINS卓越集群协调员布劳恩解释说："RNA构件在不断生长的RNA链中每形成一个键，就会释放出一个水分子。反之，当水加入到 RNA 分子中时，RNA 构建块就会反馈到前生物池中"。"在低盐度、高 pH 值的条件下，这种水的周转尤其有效。我们的实验表明，在地球早期火山岛上普遍存在的条件下，生命可以从很小的一组分子中产生，"该研究的第一作者阿德里安娜-塞朗（Adriana Serrão）说。在这些条件下，RNA 能够在不添加水分子的情况下分裂。RNA 链的末端保持无水状态，并能自发地重新形成新的 RNA 键。布劳恩的实验室证明，在复制序列信息时，这种分裂的 RNA 重新结合的效率很高，而且非常精确。只有当 RNA 构建块与双链结构中具有精确匹配碱基对的模板 RNA 分子结合时，这一过程才会发生。这样，在现有的 RNA 链因加水而解体之前，就会产生一个副本。以前人们认为，RNA 只能通过"随机"构建长度约为 200 个核苷酸的序列（即所谓的核糖酶）来复制自身。然而，核糖酶只能在生理盐水环境下工作，因此对 RNA 不利。这项新研究的结果是，在RNA进化的早期阶段不需要这些复杂的核糖酶序列。"这种精确度与核糖酶实现的 RNA 复制相当，"该研究的第一作者 Sreekar Wunnava 说。"这意味着，RNA世界的出现不需要先有复杂的长序列"。因此，早期生命由一个非常简单的新陈代谢过程组成，在这个过程中，RNA 序列通过不断替换回收分子的方式进行复制。要做到这一点，只需要一个碱性淡水环境，比如今天仍然存在于夏威夷群岛或冰岛等火山岛上的淡水环境。布劳恩解释说："因此，生命可能是从由 RNA 构建块组成的简单、寒冷的前生物原始汤中产生的。虽然反应在这些条件下进行得非常缓慢，需要几天时间才能完成，但进化之初并不缺乏时间，原始火山岛上的寒冷淡水避难所让RNA得以在原本荒凉的早期地球上生存下来。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代 麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液 pH 值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（Noah Lewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath 说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath 说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的 pH 值对这一速率有显著影响： 最高速率出现在 pH 值的两端酸性最强的 pH 值为 0，碱性最强的 pH 值为 14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH 值为 0 时的速度比 pH 值为 14 时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性 pH 值为 7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在 pH 值为 10（氢氧根离子的浓度是氢铵的 100 万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily ... PC版： 手机版：

新型锂金属电池有望实现能量翻倍、环境影响减半的目标

新型锂金属电池有望实现能量翻倍、环境影响减半的目标 锂金属电池是下一波先进高能电池的主要竞争者。与常用的锂离子电池相比，金属锂电池的单位体积能量存储至少增加了一倍。因此，这一进步可使电动汽车一次充电的行驶距离增加一倍，或使智能手机减少充电次数。目前，锂金属电池仍存在一个重要缺陷：液态电解质需要添加大量含氟溶剂和含氟盐，这增加了对环境的影响。然而，如果不添加氟，锂金属电池就会不稳定，充电几次后就会停止工作，而且容易发生短路、过热和起火。苏黎世联邦理工学院电化学能源系统教授玛丽亚-卢卡茨卡娅领导的研究小组现已开发出一种新方法，可大幅减少金属锂电池所需的氟量，从而使其更环保、更稳定、更具成本效益。电解液中的氟化合物有助于在电池负极的金属锂周围形成保护层。Lukatskaya 解释说："这个保护层可以比作牙齿的珐琅质。它保护金属锂不与电解质成分发生持续反应。如果没有它，电解液就会在循环过程中迅速耗尽，电池就会失效，而且缺乏稳定的保护层会导致在充电过程中形成枝晶，而不是一个保形的平面保护层。"如果这些树枝状突起接触到正极，就会导致短路，从而有可能使电池升温过快而被点燃。因此，控制保护层特性的能力对电池性能至关重要。稳定的保护层可以提高电池的效率、安全性和使用寿命。博士生 Nathan Hong 说："问题是如何在不影响保护层稳定性的情况下减少氟的添加量。"该研究小组的新方法利用静电吸引来实现理想的反应。在这里，带电的含氟分子是将氟输送到保护层的载体。这意味着液态电解质中只需要 0.1% 重量百分比的氟，比之前的研究至少低 20 倍。苏黎世联邦理工学院研究小组在最近发表于《能源与环境科学》杂志的一篇论文中介绍了这种新方法及其基本原理。专利申请已经完成。最大的挑战之一是找到可以附着氟的合适分子，而且一旦附着到锂金属上，也能在合适的条件下再次分解。该研究小组解释说，这种方法的一个关键优势是可以无缝集成到现有的电池生产过程中，而不会因为改变生产设置而产生额外成本。实验室使用的电池只有硬币大小。下一步，研究人员计划测试该方法的可扩展性，并将其应用于智能手机中使用的电池。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：