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Linkage-engineered donor-acceptor covalent organic frameworks for optimal photosynthesis of hydrogen peroxide from water and air

DOI:10.1038/s41929-023-01102-3

电荷转移和反应物传输到催化位点是光催化中的关键因素。然而，由于催化体系中固有的权衡和依赖关系，同时实现以上两点具有挑战性。来自新加坡国立大学的研究团队借助连接键工程，设计了一种具有致密供体-受体晶格的微孔共价有机框架。供体-受体柱状π阵列充当电荷供应链以及氧化还原中心，而修饰有集成氧原子的一维微孔通道则充当水和氧到催化位点的即时传输通道。这种多孔催化剂能促进以水和空气为原料的 H ₂ O ₂ 光合成，具有高产率、高效率和高周转频率。该框架在可见光下运行，无需金属共催化剂和牺牲剂，在间歇式反应器中420 nm处的表观量子效率为17.5%，在流动反应器中实现了连续、稳定、清洁的 H ₂ O ₂ 生产。

以水和空气为原料的 H ₂ O ₂ 光催化生产受限于反应物和载流子在催化位点的可及性。研究团队设计了一种供体-受体共价有机框架，促进了电荷、水和氧的传输，在可见光照射下实现了17.5%的量子效率。

A strongly coupled Ru-CrO _x cluster-cluster heterostructure for efficient alkaline hydrogen electrocatalysis

DOI: 10.1038/s41929-024-01126-3

在催化剂中构建定义明确的异质结界面，是打破所谓线性关系的有效策略，能够加快涉及多种中间体的反应。来自浙江大学的研究团队设计了一种由结晶Ru团簇和无定形CrOx团簇组成的簇-簇异质结构催化剂，大幅提升了碱性氢电催化性能。强耦合簇-簇异质结界面引发了独特的界面互穿效应，同时优化了反应中间体在每个团簇上的吸附行为。该催化剂在碱性介质中对氢氧化反应（交换电流密度为2.8A mg ⁻¹ _Ru ）和析氢反应（过电位为100 mV时，质量活性为23.0 A mg ⁻¹ _Ru ）表现出优异的催化活性。由此获得的氢氧化物交换膜燃料电池在0.65 V下的质量活性达22.4 A mg ⁻¹ _Ru ，并且具有出色的耐久性，在500 mA cm ⁻² 下运行超过105 h无电压损失。这项研究展示了簇-簇异质结界面在先进催化剂开发中的优势。

Complete biosynthesis of the potent vaccine adjuvant QS-21

DOI: 10.1038/s41589-023-01538-5

QS-21是一种强效疫苗佐剂，目前仅能从智利皂皮树中提取。它是带状疱疹疫苗、疟疾疫苗、新冠疫苗等的关键成分。QS-21由糖基化三萜骨架与复杂的糖基化C18酰基链组成。此前，来自约翰·英纳斯中心的研究团队已经确定了合成三萜糖苷骨架的起始步骤。然而，酰基链（刺激T细胞增殖）的生物合成途径仍不清楚。在这项研究中，他们揭示了酰基链的生物成因，表征了合成和添加酰基链所需的一系列酶，并在烟草中重构了QS-21的完整生物合成途径，从而实现了QS-21的异源生产。这一成果为疫苗佐剂生物工程、研究构效关系以及理解这类化合物增强人体免疫应答的机制带来了前所未有的机遇。

疫苗免疫佐剂对于疫苗效率至关重要。研究团队解析了QS-1（智利皂皮树产生的一种强效免疫佐剂）的完整生物合成途径，为QS-21及全新佐剂的异源生产铺平了道路。

Micropolarity governs the structural organization of biomolecular condensates

DOI: 10.1038/s41589-023-01477-1

无膜细胞器独特的微环境对于其功能至关重要。然而，人们尚不清楚生物分子凝聚体的微环境如何影响其结构和功能。来自西湖大学的研究团队借助环境敏感型荧光分子开展荧光寿命成像，研究了模型生物分子凝聚体的微观极性和微粘度。他们在体外和胞内系统中证实，足够大的微观极性差异是多层凝聚体形成的关键，其中外层相较于内层展现出更强的极性。此外，当微观极性改变时，分层结构会发生翻转。核仁颗粒组分的微观极性减弱，致密纤维组分的微观极性增强，导致各个亚区室在转录停滞状态下发生重定位。这项研究揭示了此前被忽视的微观极性在调控无膜细胞器结构和功能中的重要作用。

研究团队揭示了微观极性对于多相生物分子凝聚体亚区室的结构和相容性的关键控制作用，为多相凝聚调控提供了新见解。

Dynamic two-dimensional covalent organic frameworks

DOI: 10.1038/s41557-024-01527-8

多孔共价有机框架（COF）是一种可实现分子精度的功能材料。前人的研究大多聚焦于构建结构和光电性质不变的刚性框架。来自剑桥大学和慕尼黑大学的研究团队报道了一类动态二维（2D）COF，能在吸收和脱除外部分子时开/闭其孔隙，同时保持晶态长程有序。构建动态而稳健的晶态框架需要控制好结构的柔性度。为此他们提出了一种“酒架”设计——刚性π堆积的二萘嵌苯二酰亚胺柱通过非堆积的柔性桥相连接。由此得到的COF在缩孔和开孔构象之间表现出逐级相变，单胞体积至多增加40%。这种可变几何形状为引入刺激响应的光电性质创造了条件。研究团队展示了可切换的光吸收和发射特性，其近似于收缩COF中具有单体样行为的“零聚集”。这项研究为动态2D COF的设计提供了新思路，有助于刺激响应型材料的发展。

二维共价有机框架（2D COF）可用于构建定制功能材料，但动态2D COF的设计具有挑战性。研究团队设计了一种基于二萘嵌苯二酰亚胺的COF，能在吸收和脱除外部分子时开/闭其孔隙，同时充分保持晶态长程有序。此外，COF的可变几何形状使刺激响应的光电性质成为可能。

Methylation enables the use of fluorine-free ether electrolytes in high-voltage lithium metal batteries

DOI: 10.1038/s41557-024-01497-x

锂金属电池是一种有前景的下一代储能技术，但锂枝晶形成和阴极开裂导致其循环寿命较差。氟代溶剂能通过提高固体-电解质界面处的LiF含量来提升电池寿命。然而，氟代溶剂的高成本和环境影响限制了其应用。来自马里兰大学的研究团队通过1,2-二甲氧基乙烷的甲基化，设计了一系列无氟溶剂。甲基化策略通过阴离子还原促进了无机富LiF界面的形成，并实现了高氧化稳定性。阴离子衍生的LiF界面抑制锂阳极上锂枝晶的生长，最大限度减少了高电压运行下的阴极开裂情况。他们借助原位技术和模拟研究了Li ⁺ 溶剂结构，分析了界面组成与电化学性能之间的关系。这种甲基化策略为高电压电解液的设计提供了新的途径，同时有助于减轻对昂贵氟代溶剂的依赖。

锂金属电池是一种有吸引力的储能技术，其发展依赖于各成分化学、物理和力学性质之间的复杂相互作用。研究表明，乙二醇二甲醚电解液的选择性甲基化能够提高电解液、电极以及固体-电解质界面的稳定性，实现了高性能4.3 V锂金属电池。

H ₂ O ₂ -mediated electrosynthesis of nitrate from air

DOI: 10.1038/s44160-024-00522-8

可再生电力驱动的电化学氮氧化有望替代传统的Haber-Bosch工艺和Ostwald工艺，利用氮直接合成硝酸盐。然而，其反应效率受到溶液中竞争性析氧反应的影响，而且缺少标准化测试方案。来自河南大学和山东师范大学的研究团队提出了一种有效的氮氧化方法，用H ₂ O ₂ 分解产生的氢氧自由基（·OH）替代析氧反应作为活性氧源。电化学测试表明，由·OH推动的氮氧化可实现25.6%的法拉第效率，以及8.3 nmol s ⁻¹ cm ⁻² 的硝酸盐产率。此外，他们利用原位电化学质谱、气相红外光谱和电子顺磁共振波谱建立了一套全面的基准，以证实氮活化的真实性，并探讨·OH介导的反应机理。技术经济分析凸显了这种方法的可行性和可持续经济价值。

A Janus dual-atom catalyst for electrocatalytic oxygen reduction and evolution

DOI: 10.1038/s44160-024-00545-1

双原子催化剂具有高活性和高原子利用率，在可持续能量转换和存储技术方面展现出广阔前景。然而，合理设计和合成具有结构均匀且灵活的活性位点的双原子催化剂仍是一项挑战。来自中国科技大学、清华大学和宁波大学的研究团队合成了一种具有Fe-Co位点的碳基催化剂，其中Fe原子和Co原子分别与N原子和O原子配位，并通过桥接N原子和O原子连接（FeCo–N ₃ O ₃ @C）。“双面神”FeCo–N ₃ O ₃ @C四元二聚体是一种稳定高效的双功能催化剂：电催化氧还原反应半波电位为0.936 V；在10 mA cm ⁻² 下析氧反应的电位为1.528 V。基于该催化剂组装的Zn-空气电池性能优于基准Pt/C + RuO ₂ 空气阴极。一系列异位和原位表征结合理论计算表明，这种催化剂的双功能活性来源于Fe–N ₃ 单元和Co–O ₃ 单元之间的强耦合，这种作用改变了金属原子的d轨道能级，优化了含氧中间体的吸附-脱附，加快了氧还原反应和析氧反应动力学。这些在原子和电子水平上对这种双原子催化剂机理的深入阐释，将有助于设计对特定反应具有催化活性的高效多功能催化剂。

合理设计和合成具有结构均匀且灵活的活性位点的双原子催化剂仍然具有挑战性。研究团队合成了一种“双面神”Fe-Co双金属催化剂，其中Fe原子和Co原子分别与N原子和O原子配位，并通过桥接N原子和O原子连接。

Clarifying the four core effects of high-entropy materials

DOI: 10.1038/s41570-024-00602-5

2004年，第一篇关于高熵合金的论文发表，从此开创了一个新的研究领域——高熵材料。该领域的研究范围很快从高熵合金扩展到中熵合金、陶瓷、聚合物以及复合材料。2006年，高熵材料四大核心效应被正式提出，包括高熵、严重晶格畸变、缓慢扩散以及鸡尾酒效应，这四种效应常被用于描述和解释与高熵材料有关的各种奇特现象背后的机制。多年来，研究人员对这四种效应开展了严谨的研究，其效度已得到证实。这篇观点文章探讨了高熵材料四大核心效应的基本原理及特性，并提出了更深入的见解，以加强人们对这些效应的理解。相信这些阐释会有助于人们理解低熵到高熵材料，并在研究材料新组成或投入实际应用时助力材料设计。

这篇文章探讨了高熵合金的四大核心效应，并提供了更深刻的见解。这些阐释有助于人们理解低熵材料（简单的二元或三元合金）到高熵材料（包含5种或更多成分），支持广泛的材料设计。

Three-dimensional saturated C( sp ³ )-rich bioisosteres for benzene

DOI: 10.1038/s41570-024-00623-0

苯是上市小分子药物中最常见的结构单元，但其在类药性方面存在缺陷，包括代谢不稳定和水溶性差等。为克服这些局限，人们开展了大量研究。药物化学领域最新的进展表明，富含C（ sp ³ ）的生物电子等排体骨架的理化特性优于芳烃。过去二十年来，单取代苯和对位取代苯的饱和生物电子等排体的合成方法呈指数级增长。然而，由于环张力和s特征杂化增加，目前对类似的邻位取代和间位取代三维生物电子等排体的研究仍然较少。这篇综述总结了这类饱和基元的新兴合成方法，以及它们对邻位取代/间位取代/多取代苯环的生物电子等排体应用的影响。文章最后展望了下一代生物电子等排体，包括那些位于全新化学空间的生物电子等排体的发展。

Electrospinning of nanofibres

DOI: 10.1038/s43586-023-00278-z

静电纺丝是一种基于电流体动力学，将聚合物溶液制成微纳材料的技术。在实验室内或工业生产中，通过物理和化学过程实现材料改性能生成多种材料结构，助力传统和新兴应用。这篇导论文章以静电纺丝技术为主题，涵盖了原理、方法、设备、材料、应用、可扩展性以及优化策略。这篇文章首先阐述了电纺的工作原理，概述了实验室和工业规模的电纺方法和工艺参数，并讨论了新兴的设备。文章还介绍了电纺纤维和纤维集合体组成、结构和性质的精准调控方法。多样的特性使得电纺材料适用于环境、能源、医疗、纺织品、可穿戴设备、农业和先进材料等领域。文章最后探讨了当前电纺技术的制约因素，并展望了该领域未来可能的发展轨迹。

利用强电场控制聚合物溶液、熔体或悬浮液，可生产出超细纳米纤维。这种电纺工艺使得纳米纤维的性质可调。这篇方法导论以静电纺丝技术为主题，探讨了其基本原理、实验技术、表征，以及在生物医学、可穿戴设备和环境净化中的应用。

Near-infrared II fluorescence imaging

DOI:10.1038/s43586-024-00301-x

第二近红外（NIR-II）窗口的荧光成像具有光散射小、组织自发荧光低的优势，可实现高分辨率和高对比度的深层组织成像。NIR-II荧光成像使用的光致发光造影剂包括碳纳米管、量子点、稀土掺杂纳米晶、金纳米团簇、小分子及其聚集体、荧光蛋白，这些物质均在1000–3000 nm范围发出荧光。将这些荧光团注射到动物体内后，通过专门的探测器和光学仪器进行成像，所得图像的对比度和分辨率远优于传统的可见光和近红外荧光成像。这种强大的方法可实现血管结构与血流动力学动态成像、肿瘤分子成像和图像引导手术，以及深层结构（如胃肠系统）可视化。过去15年来，NIR-II荧光成像已经深刻改变了生物医学成像，并且即将在心血管病学、神经生物学和胃肠病学领域做出贡献。这篇导论文章介绍了NIR-II荧光成像的原理，总结了最常用的荧光团，概述了实施方法，并探讨了具体的科学与临床应用。此外，文章还讨论了NIR-II荧光成像的局限性，以及该技术未来在各个科学领域的机遇。

在第二近红外（NIR-II）窗口内开展荧光成像，可实现高分辨率和高对比度的深层组织成像。这篇导论文章概述了NIR-II荧光成像如何用于动物模型，探讨了常用的荧光团以及科学和临床应用中的实施方法。