如何才能让你的智能手机锂电池体积小、使用时间长？把这个需求转译成科学语言是：如何让锂电具备高且稳定的储能密度和功率密度？这就需要正极和负极材料在尽可能小的体积空间储存更多锂离子并且能够快速可逆充放电。近日，北京大学深圳研究生院潘锋教授团队命中了“真问题”，他们研发了一种锂电池钴酸锂正极材料，让电池储能密度首次接近理论极限。
二维半导体具备原子级超薄结构和高迁移率优势，受到全球领先半导体芯片企业和研究机构关注。北京大学电子学院彭练矛-邱晨光课题组在二维半导体集成工艺方面提出新理论，发明了原子级精准选区掺杂技术。实现了理想的欧姆接触和开关特性，有潜力构建未来更高性能、更低功耗的亚1纳米技术节点芯片。
基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第九十八期。
1《Advanced Materials》丨命中“真问题”，锂电储能密度首次逼近理论极限
从界面到体相梯度无序结构钴酸锂
如何才能让你的智能手机锂电池体积小、使用时间长？把这个需求转译成科学语言是：如何让锂电具备高且稳定的储能密度和功率密度？这就需要正极和负极材料在尽可能小的体积空间储存更多锂离子并且能够快速可逆充放电。
商业化的手机锂电池正极材料通常用钴酸锂层状氧化物，其理论可逆比容量是274mAhg-1（全部的锂离子脱出来和嵌进去），提高工作电压可以让越来越多的锂离子从晶格中脱出来，但结构容易发生不可逆的过渡金属钴离子迁移和不稳定的氧阴离子流失，产生有害的不可逆结构相变和氧气释放行为。因此长期以来，钴酸锂（LCO）这样的层状结构中只有50—60%的锂能在充放电过程中可逆脱嵌，对应获得140—165mAhg-1的可逆容量。
北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队研发锂电池钴酸锂正极材料取得重要突破，首次实现储能密度接近理论极限。团队创新性地设计了一种梯度无序结构的钴酸锂正极（GDLCO），解决了层状正极中长期存在的由于高电压充放电引发应力集聚导致机械化学失效问题。该正极材料界面阻抗低、有效电压高，表现出对化学机械应变的强大抵抗力，有效抑制了微裂纹的形成，最大限度地减少了界面副反应的发生，并减轻了材料在高电压下的不可逆相变。这个电极将钴酸锂中锂的利用率推高至93%（256mAhg-1，接近理论容量），同时还表现出超越现有高电压钴酸锂材料的高循环稳定性，这些优异的性能与需要高能量、高功率的无人机电池相适配。研究团队正在推进该新材料的产业化。这一突破还有助于进一步开发实用、高性能的新型正极材料。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202405519
2《Nature Electronics》丨二维半导体Lab-to-Fab关键环节打通！
原子级掺杂诱导二维金属化的系统表征
传统硅基技术在亚3nm节点接近其物理极限，而二维半导体被视为亚1nm技术节点集成电路芯片的潜力沟道材料，在近期受到全球领先半导体芯片企业和研究机构关注。二维半导体具备原子级超薄结构和高迁移率优势，能在超短沟道晶体管中实现优异的静电控制和开态特性。而现阶段，实现二维半导体和金属电极的欧姆接触将成为制备高性能弹道晶体管的关键因素。此外，目前国际上实现的高性能二维晶体管多基于机械剥离或厘米级的二维单晶，所以基于晶圆级二维半导体实现高性能晶体管的规模化制备，也是推动二维电子学从实验室走向工业应用（Lab-to-Fab）的核心挑战。
近期，北京大学电子学院彭练矛-邱晨光课题组在二维半导体集成工艺方面提出“稀土钇元素诱导相变理论”，发明了原子级精准选区掺杂技术。该技术突破了传统离子注入掺杂结深无法小于5纳米的工程限制，首次将源漏选区的掺杂深度推进到单原子层0.5纳米极限，并基于二维半导体晶圆规模化制备出超短沟道弹道晶体管，实现了理想的欧姆接触和开关特性，有潜力构建未来更高性能、更低功耗的亚1纳米技术节点芯片。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01176-2
3《Cell Reports》丨事实证明，通往“情绪共情”的路不止一条
vHPC下游双环路调控情绪共情
当说到一个人“共情能力强”的时候，往往指的是他具备同理心，能设身处地体会别人的情绪感受、心理活动。科学角度来看，情绪共情是指感知、模仿他人情绪，这是一种维系动物社交生活和种族生存的重要能力。自闭症社交障碍或创伤后应激障碍等患者都存在共情能力的缺失或超敏。所以，探究共情的神经机制对这类疾病的诊疗具有重要意义。
东南大学生命科学与技术学院谢维团队运用活性类群靶向重组系统、光遗传学、化学遗传学和双光子钙成像记录等实验方法，发现两条具有独立功能的神经环路调控观察性恐惧共情（OF）。即：腹侧海马（vHPC）的OF Freeze编码神经元激活背腹侧LS GABA能神经元至BLA的去抑制功能，且BLA作为vHPC→LS→BLA环路中的恐惧效应器调控OF，以及另一个功能独立的环路vHPC→NAc调控OF。研究团队的这一发现拓宽了情绪共情神经网络的研究，给研究共情相关情绪障碍的潜在机制提供了新的线索。
原文链接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00605-3
4《J. Am. Chem. Soc.》丨176年后，他们从巴斯德手中接过科学的接力棒
该工作与巴斯德拆分实验的历史性关联
1848年，路易斯·巴斯德在研究酒石酸盐的结晶时，敏锐地观察到了其晶体形貌的不对称性：有形貌特征互为镜像的两种晶体（即相反手性的酒石酸盐结晶）同时从溶液中析出。基于这一形态学差异，巴斯德用镊子手动分离了酒石酸铵钠四水合物的外消旋混合物晶体。这一研究不仅是人类科学技术史上的第一例手性拆分实验，而且还奠定了立体化学的基础，因其优雅简洁且意义重大，被《化学化工新闻（Chemical & Engineering News）》杂志评选为最美的化学实验之首。
176年后的当下，北京大学化学与分子工程学院宛新华/张洁团队接过了这一科学接力棒，他们通过加热手性晶体的特定晶面，使它们向不同的方向跳跃，实现了对映体分离。研究团队设计构建了基于天冬酰胺单水合物外消旋混合物的动态晶体系统。在加热水合物单晶时，晶格水从系统中脱除，驱动晶体运动。当对一对对映体单晶的特定晶面加热时，相反手性的晶体呈现出向着相反方向跳跃的宏观运动行为，进而可以实现对手性晶体的机械拆分。进一步的结构分析表明，天冬酰胺分子在特定方向上形成了分子间氢键网络，为水分子的热逃逸提供了定向的通道；水分子在对映体晶体中的逃逸路径完全镜像，为晶体的定向跳跃行为奠定了基础。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c13416
5《Science》丨这种多肉植物为智能液体操控提供完美仿生蓝本
多肉植物若绿
液体在固体表面的定向输运在生物医学、航空航天、农业生产、工业制造等领域有着极其重要的作用。自然界生物的定向输运现象为智能液体操控提供了完美的仿生蓝本。例如，仙人掌将收集的雾气从刺尖输送到根部；蜘蛛丝将捕获的雾气从周期性纺锤结输送到关节；蜥蜴通过相互连接的毛细通道将水输送到口腔内；猪笼草利用多尺度结构从口喙内边缘向外边缘定向输送雨水和花蜜；南洋杉叶利用毛细锯齿效应沿固定方向输送特定液体。科学研究表明，上述生物体系的液体输运都有着相同的模式，即一种液体只能沿着固定的方向定向传输。
但山东大学李加乾与香港理工大学王立秋团队的最新发现颠覆了上述认知。他们发现，给若绿（Crassula muscosa）这种多肉植物浇水时，液体在水平放置的不同若绿茎上，竟然可以选择朝着茎尖或根部这两个截然相反的方向自发地单向流动，这与传统认知中一种液体只能沿固定方向流动的观点大相径庭。
若绿原产于干旱但多雾的南非和纳米比亚地区，它的茎叶很容易被雾气润湿，从而捕获雾滴，为其生长提供充足的水分。研究团队首次报道了若绿植物的神奇液体操控能力，并证明这一神奇现象得益于若绿叶片独特的不对称折返结构——若绿叶片两端具有不同的折返角，包括朝向茎尖的上折返角和朝向根部的下折返角。这导致液体弯液面在两个相反方向存在差异，令液体能选择性地沿不同方向运动。该研究不仅揭示了大自然中鲜为人知的独特液体输运现象和内在机制，也为工程应用中设计更加灵活高效的智能液体操控器件提供了新的启发和方法。
研究团队利用三维打印技术制造了一种模仿若绿叶片结构的器件。在具有不同折返角的仿若绿器件上，液体分别沿着正负两个相反的方向流动，与若绿植物上的液体输运现象一致。通过提出一种基于各向异性弯液面的理论模型，揭示了通过调节折返角和间距可以精准控制液体流动方向的内在机理。受此启发，研究团队设计了通过磁场和机械拉伸精准调控液体流动方向的磁控和柔性仿若绿智能器件，展示了仿若绿智能器件灵活可控液体输运的能力，在生物医学、微反应器、微流控、可穿戴电子设备等领域都具有广阔的应用前景。（专栏作者 李潇潇）
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4180
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发表于 2024-7-2 12:05:28
