国家纳米科学中心丁宝全研究员与亚利桑那州立大学颜颢教授团队合作，在构建支链核酸用于引导DNA折纸结构进行精确共组装方面取得重要进展。研究成果以Chemically Conjugated Branched Staples for Super-DNA Origami为题，发表在J.Am.Chem.Soc.杂志上（DOI:10.1021/jacs.3c13331）。 DNA折纸作为一类具有代表性的核酸纳米结构，在构建精细的纳米器件和智能的药物递送系统等方面发挥了重要作用。DNA折纸结构通常由一条长的脚手架链和上百条短的订书钉链退火共组装而成。然而，由于常用的脚手架链的核酸序列长度有限，DNA折纸结构的尺寸被严重限制。丁宝全研究员团队在前期研究中发现，经共价偶联所制备的支链核酸结构具有非常高的热稳定性，有望作为构建高阶DNA折纸结构的连接枢纽（CCS Chem.2023,5,2125;J.Am.Chem.Soc.2021,143,19893;Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,1853;J.Am.Chem.Soc.2019,141,19032）。   图.利用共价偶联的支状订书钉链组装高阶DNA折纸结构 在前期研究的基础上，该团队提出通过构建支状订书钉链来组装高阶DNA折纸结构的概念。首先，将线型订书钉链共价偶联成支状订书钉链，并将其直接引入到DNA折纸结构组装体系中，相对于传统的两步组装体系（产率<10%），可一步制备得到尺寸可控且产率高达80%以上的高阶DNA折纸结构。随后，通过设计具有不同订书钉序列的杂合型支状订书钉链，经多级次组装，可获得形貌各异的杂合型高阶DNA折纸结构。最后，在支状订书钉链的桥联作用下，可高效得到微米尺度的含有100个DNA折纸结构单元的10×10高阶DNA折纸阵列。该类尺寸形状可控的高阶DNA折纸阵列仍然具有非常好的纳米级位点可寻址性，可作为高清模板呈现出预先设计的纳米图案。该研究利用共价偶联的支链核酸结构为连接枢纽，充分展示了核酸结构的精确共组装能力，实现了对各类高阶DNA折纸结构的高效制备，为大尺寸核酸纳米结构的构建和功能化提供了新的研究策略。 国家纳米科学中心与郑州大学联合培养的硕士毕业生王宇昂、国家纳米科学中心特别研究助理王洪和国家纳米科学中心与吉林大学联合培养的博士毕业生李燕为本文的共同第一作者。国家纳米科学中心丁宝全研究员、刘建兵副研究员和亚利桑那州立大学颜颢教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技新星计划和中国科学院青年创新促进会等项目的支持。     论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c13331 查看详细>>

    国家纳米科学中心郑强课题组与清华大学材料学院李千课题组等合作，在功能氧化物薄膜电畴翻转微结构表征与光电性能调控领域取得系列研究进展。相关成果以Giant electric field-induced second harmonic generation in polar skyrmions和Tuning the electro-optic properties of BaTiO3 epitaxial thin films via buffer layer-controlled polarization rotation paths为题，分别在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications 2024, DOI:10.1038/s41467-024-45755-5）和《先进功能材料》（Advanced Functional Materials 2024, DOI:10.1002/adfm.202315579）上。     近年来，电光调制器、频率梳、量子光源等新兴集成光子学器件的高速发展，对集成光子器件中的关键材料在性能和调制方面提出了更高的要求。多功能氧化物薄膜体系为光、电、磁等外场调控提供了良好平台，研究其内部电畴翻转、晶格畸变等微结构变化特征，并阐明这些微结构与光电性能之间的关联机制，对于实现功能氧化物薄膜宏观光电性能的调控至关重要。配有球差校正器的扫描透射电子显微学（scanning transmission electron microscopy，STEM）先进技术能在亚埃米尺度上精准探测畴结构、局域晶格和电子结构变化特征，为深入研究功能氧化物薄膜中极性斯格明子有序化、铁电极化翻转以及光电响应关系提供关键信息。     国家纳米科学中心郑强团队与清华大学李千团队、浙江大学洪子健团队合作，对具有高度有序化极性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜进行了电镜显微表征和相场理论模拟研究，深入阐明了极性斯格明子电场诱导二次谐波产生（EFISH）效应的微观机制。该研究利用球差校正STEM的高角度环形暗场像（HAADF）定量获取原子尺度极性位移信息，并通过差分相位衬度（DPC）成像模式半定量地提取局部电场信息，证实了高质量的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜中存在有序化的极性斯格明子（图1）。进一步的STEM原位电学实验以及理论模拟结果揭示了极性斯格明子在不同方向外加电场作用下迥异的变化过程，厘清了其晶体结构、极化构型和光学二次谐波产生（SHG）响应之间的关联性，对新型非线性集成光子学材料平台的实空间可视化表征及性能调控具有重要意义。     上述研究中，郑强研究员与清华大学材料学院李千副教授、浙江大学洪子健研究员为论文的通讯作者，清华大学材料学院2020级博士生王思旭、2021级博士生李为为论文的共同第一作者，国家纳米科学中心科研助理高汉滨为本文合作作者。论文的重要合作者还包括清华大学材料学院南策文院士、李敬锋教授、上海同步辐射光源李晓龙研究员、美国威斯康星大学麦迪逊分校Paul G.Evans教授等。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45755-5     此外，郑强团队与李千团队在另一项针对BaTiO3薄膜领域的合作研究中，利用STEM原子尺度定量分析技术发现，借助GdScO3缓冲层可在BaTiO3薄膜中实现逐渐过渡的极化旋转路径，并通过调控缓冲层厚度可获得一系列不同相结构的BaTiO3薄膜（图2）。随着缓冲层厚度的增加，薄膜相结构从面外四方相过渡至中间菱方相，并最终稳定为面内四方相。同时，基于STEM图像的几何相位分析（GPA）表明，这种结构调控策略的有效性源于GdScO3缓冲层的慢应变释放方式。该工作通过对系列样品的实空间表征和分析，对BaTiO3薄膜电光响应背后的畴翻转动力学进行了系统解析，为高性能电光材料和集成光子器件的设计提供了有效方案。郑强研究员与清华大学材料学院李千副教授、李敬锋教授、邓晨光博士后为论文的通讯作者，清华大学材料学院2023级博士生于涵、国家纳米科学中心2021级直博生郭宁、清华大学材料学院邓晨光博士后为论文的共同第一作者。论文的重要合作者还包括清华大学马静副教授，北京师范大学张金星教授等。原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315579     国家纳米科学中心的双球差校正透射电子显微镜在以上两项研究工作中均发挥了重要作用。郑强团队通过改进硬件和数据采集方式，编写相关数据处理算法，在该电子显微镜上实现了同步分析原子尺度电场/电荷分布和晶格结构的皮米级变化。这些技术改良是定量表征上述两类功能氧化物薄膜原子尺度极化特征、重构局域电场分布并建立两者之间关联性的关键。   图1.具有有序化极性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格的结构特征及基于STEM的电场重构   图2.不同GdScO3缓冲层厚度的BaTiO3薄膜STEM表征结果 查看详细>>

国家纳米科学中心研究员唐智勇和李连山团队在有机小分子分离膜和用于有机体系盐差能转化的单分子层COF膜方面的研究取得新进展。其中有机小分子分离膜的工作以Regulating the Layered Stacking of aCovalent Triazine Framework Membrane for Aromatic/Aliphatic Separation为题，发表在《德国应用化学》（Angew.Chem.Int.Ed.）上。单分子层膜的相关工作以Boosting Osmotic Energy Harvesting from Organic Solutions by Ultrathin Covalent Organic Framework Membranes为题，发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。 分离功能膜材料在诸多领域具有重要的应用价值，尤其是在水体系中的应用，如海水淡化，污水处理等领域已成功实现商业化应用。然而，相较于水体系而言，膜材料在有机体系中的应用严重滞后。研究团队在前期分离功能膜材料在水体系盐差能转化（Nat.Nanotechnol.,2022,17,622-628）和限域膜通道中纳米流体输运机制研究（J.Am.Chem.Soc.,2023,145,17786-17794）的基础上，进一步探索分离功能膜在有机体系中的应用。 目前，异构体、共沸物等有机小分子混合物分离、离子分离及其衍生的离子电子器件、生物膜通道和神经拟态器件等均是膜技术的科学前沿。其中，芳烃和脂肪烃的膜分离是石油工业中的关键要求。然而，由于缺乏能够耐受有机溶剂、具有分子特异性并便于加工的膜材料，这项任务面临着重大挑战。为此，该团队提出了一种通过采用混合单体制备共价三嗪框架（CTF）膜的策略。通过将一个空间单体与一个平面单体共聚，能够微妙地调节孔径和膜亲和力，使得分子量低于200道尔顿（Da）的芳烃优先于脂肪烃渗透，从而实现了芳烃/脂肪烃混合物的全液相分离。研究发现分子尺寸筛选和渗透分子与膜之间的亲和力的协同效应在分离这些相似的有机小分子中起着关键作用。此外，该膜在实际操作条件下表现出优异的稳定性，包括长时间运行、不同的进料组成、不同的应用压力和多种进料成分。这种多功能共聚策略为制备芳烃/脂肪烃选择性膜提供了可行的途径，从而在解决通过膜技术分离有机小分子的挑战中迈出了重要一步。 通过反向电渗析从废弃的有机溶液中提取渗透能代表着一种有前景的能源提取方式，可以重新利用这些工业废物，并有助于缓解不断增长的能源需求。该团队采用界面预组装聚合策略合成了单分子层厚度的共价有机框架（COFs）薄膜，用于研究其在有机溶液中的离子传输行为。这种超薄COF膜在有机溶液中呈现出电荷控制的离子传输行为。由于纳米尺度限制效应对分子间相互作用的影响，导致了溶液表观粘度的变化，使得离子传导率与溶液粘度倒数之间的关系偏离了经典理论下的线性关系。此外，我们还研究了这种超薄COF膜在有机系统中的盐差能转化，结果显示在1000倍浓度梯度下，膜表现出超过84.5 W/m2的高输出功率密度，同时具有良好的转化效率和稳定性。这些发现为未来有机纳流体研究和有机系统盐差能转化提供了重要的理论指导。 有机小分子分离膜方面的工作，国家纳米科学中心博士后刘璀静、博士生侯郡郡为文章的共同第一作者，国家纳米科学中心李连山研究员为通讯作者。有机单分子层方面的工作，国家纳米科学中心博士生方慕楠、严壮为文章的共同第一作者，国家纳米科学中心李连山研究员、张晓鹏博士和浙江理工大学陈夏超教授为共同通讯作者。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院人才项目及中国科学院战略性先导科技专项B类等项目的支持。    图a：通过平面和非平面单体的共聚策略，调控二维堆积的层间距，进行孔尺寸和孔表面性质的协同调控，实现有机芳烃和烷烃小分子的分离； 图b：在单分子COF膜中发现离子输运速率和溶剂粘度倒数偏离正比关系，研究了不同溶剂粘度对有机体系盐差能转化效率的影响。 查看详细>>

留在美国，还是回国？这是上世纪出国大潮中，出国留学人员要做的一道选择题。1988年，我在美国完成硕士、博士和博士后学业后，选择了回国效力。   我研究的是碳/碳复合材料。什么是碳/碳复合材料？以伊尔-76大型运输机为例，飞机使用的金属基刹车盘重量为2.8吨。如果使用碳/碳复合材料刹车盘，重量只有0.8吨。对零件重量以“克”为计量单位的飞机来说，这是一个革命性的变化。   英、法、美三国先后研制出了高性能碳/碳航空制动材料，碳/碳复合材料也被欧美等发达国家列入了禁止出口清单。改革开放后，我国从欧美进口的大量民航飞机，使用的都是碳/碳复合材料刹车盘。刹车盘是易耗件，大量进口要消耗大量外汇。此外，购买刹车盘时还附有苛刻的条件。   关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，必须靠自主创新。   从上世纪八十年代起，我们就开始了碳/碳复合材料的基础研究。上世纪九十年代末期，我们完成了碳/碳复合材料飞机刹车盘工业化制备，实验室和台架试验的各项指标均符合要求。但是，最后的“终止起飞”项目测试却出现了问题，试验数据不达标。这意味着前面的努力都功亏一篑。   那是我们最困难的黑暗日子，我们几乎弹尽粮绝，甚至有队员还打了退堂鼓。但我坚信努力不会白费，国家的任务我们能完成，也必须完成。创新从来都是九死一生！   都说“十年磨一剑”，可我们整整磨了近二十年。二十年，团队成员从翩翩少年到两鬓斑白，大家把青春和汗水挥洒在了实验室，把最好的年华献给了祖国的材料事业。   最终，我们成功发明了“逆定向流—径向热梯度沉积热解炭技术”，走出了一条与国外完全不同的技术路线，改写了中国民航飞机必须依赖进口刹车盘才能落地的历史，也使我国成为继英、法、美之后，世界上第四个拥有该项制造技术的国家。   今天，我们的成果已经成功助力国产大飞机C919翱翔蓝天，并成为火箭发动机、超高速飞行器的关键材料，还广泛应用在核能、太阳能、化工以及电子等众多领域。   未来，我国还要去研制C929等一系列大飞机。我希望在有生之年能再磨一“剑”，彻底实现大飞机机轮刹车系统“中国造”，助力实现中华民族的伟大航空梦。 查看详细>>