5月Nature 子刊精选——材料工程领域新进展

具有多个互穿网络以增强机械性能的水凝胶的设计可以拓宽其在生物医学材料，3D打印和软机器人等领域的应用。我们报告了由多尺度层次的互穿网络组成的一类自我增强的均质复合水凝胶（HHGs）。藻酸盐分子凝胶被分层分支的藻酸盐软树突状胶体（SDC）的胶体网络增强。相同生物聚合物的纳米原纤维SDC网络增强了分子凝胶，可显着提高HHG的机械性能。与相同浓度下的任何一个本构网络相比，粘弹性HHG的储能模量大3倍，杨氏模量大4倍。这种协同增强的胶体-分子HHG为配制具有稳固的结构-性质关系的生物相容性凝胶开辟了许多机会。其前体比例的平衡有助于精确控制屈服应力和自增强速率，从而实现HHG的高效挤出3D打印。

太阳能蒸汽水净化和雾气收集是两个独立的过程，可以产生大量淡水。我们开发了一种水凝胶膜，该膜包含具有高表面积的层次化三维微观结构，该结构结合了两种功能并可以用作一整天的淡水收集器。在晚上，水凝胶膜可有效捕获雾滴并将其定向输送到存储容器中。在白天，它充当界面太阳蒸汽发生器，通过改善的热/蒸汽流管理，在1个太阳下可实现3.64 kg m-2h-1的高蒸发速率。借助自制的屋顶集水系统，这种水凝胶膜可以在室外测试中产生淡水，日产量约为34 L m-2，这表明其具有缓解全球缺水的潜力。

壳体屈曲在许多生物结构和先进的功能材料中都是至关重要的，即使在传统上，这种弹性不稳定性被视为工程结构应避免的灾难性现象。无论哪种方式，预测临界屈曲条件仍然是一项长期的挑战。壳屈曲的亚临界性质赋予材料和几何缺陷以极大的敏感性。在这里，我们提出了一种鲁棒的机制，可以利用力学和磁力之间的耦合来动态调整壳体的屈曲强度。我们在由硬磁弹性体制成的加压球形壳上进行的实验证明了通过磁致动其屈曲压力的可调性。我们开发了薄的磁性弹性壳的理论模型，该模型合理化了潜在的机理，并与实验非常吻合。结合系统的几何设计，机械和磁性能，无量纲的磁弹性屈曲数被认为是关键的控制参数。

单细胞和多细胞组织或生物体的定量微机械表征对于研究细胞生长，形态发生和细胞间相互作用至关重要。但是，由于在微尺度上的操纵能力有限，用于机械表征的系统难以提供单个样本的完整三维覆盖范围。在这里，我们将声学驱动的操纵装置与微力传感器结合使用，以自由旋转生物样本并量化样本内多个目标区域的机械性能。该工具的多功能性是通过分析单个长百合花粉花粉，结合数值模拟和单个线虫秀丽隐杆线虫来证明的。它揭示了单个样本的表观刚度的局部变化，从而提供了以前无法获得的信息以及有关机械特性的数据集，这些数据集可作为生物物理建模的基础，并可以更深入地了解这些生命系统的生物力学。

对可持续能源的需求推动了人工光合作用的发展。然而，用于将永久性气体（例如，CO ₂ ，O ₂ ，N ₂ ）直接固定到液体燃料中的催化剂和反应界面设计仍然面临着缓慢的传质和在气-液-固边界处缓慢的催化动力学的挑战。在这里，我们报道了透气金属有机框架（MOF）膜可以改变金属单原子（SAs）的电子结构和催化性能，从而促进气体分子（例如CO ₂ ，O ₂ ）的扩散，活化和还原在可见光和温和条件下生产液体燃料。以Ir SAs为活性中心，缺陷工程MOF（例如活化的NH ₂ -UiO-66）颗粒可以在420-nm处在气液固反应界面上将CO ₂ 还原为HCOOH，表观量子效率（AQE）为2.51％。通过促进气体在多孔气固界面的扩散，透气的SA / MOF膜可以将潮湿的CO ₂ 气体直接转化为HCOOH，选择性接近，在420nm处的AQE显着提高了15.76％。可以将类似的策略应用于光催化O ₂ 到H ₂ O ₂ 的转化，这表明我们的催化剂和反应界面设计具有广泛的适用性。