与材料组成和结构一样，尺寸（维度和尺度）同样可以调控材料性能。例如，2010和2023年的诺贝尔物理和化学奖分别授予二维材料和胶体量子点方面的开创性工作，凸显了材料维度和尺度的重要性。 国家纳米科学中心张勇团队致力于极小尺度材料的物理制备及性能研究。前期，提出了二元协同球磨方法，将球磨极限推进至量子尺度；开发出全物理方法，实现了量子尺度材料的普适和规模制备。相对于狭义方法（盐辅助球磨，Nano Lett.2017,17,7767），广义方法（硅球辅助球磨，Mater.Horiz.2019,6,1416;Nanoscale 2021,13,8004）具有更多优势。层状材料（Mater.Horiz.2019,6,1416）、非层状材料（Nanoscale 2021,13,8004）、非平面层状材料（ACS Appl.Mater.Interfaces 2020,12,47784）、非范德华层状材料（J.Phys.Chem.Lett.2022,13,3929）等都能够通过广义方法达到量子尺度（Small Sci.2023,3,2300086）。性能研究方面，揭示了材料性能（荧光、非线性光学、电催化、载流子动力学）随材料尺寸的变化规律（Mater.Chem.Front.2021,5,7817;Nano Today 2022,46,101592;Nano Lett.2022,22,5651）。实现了（可见光波段）最高记录的非线性饱和吸收性能，以及非线性饱和吸收的超高响应与超低功率激发（Nanoscale Horiz.2023,8,1686）。 近期，张勇团队联合刘新风课题组、郑强课题组合作攻关，提出了三元协同球磨方法，将球磨极限推进至亚纳米尺度，实现了亚纳米材料的普适制备。他们先以过渡金属二硫族化合物为研究对象，确立了三元协同球磨方法的有效性。单次循环制备产率分别为7.2 wt%（二硫化钼）和4.8 wt%（二硫化钨）。所得亚纳米二硫化钼/二硫化钨横向尺寸约为0.44和0.47 nm，厚度约为0.55和0.61 nm，从而证实了其亚纳米尺度。与纳米尺度和量子尺度相比，亚纳米尺度能够极大提升材料的荧光和非线性光学性能。他们再以石墨为研究对象，确立了三元协同球磨方法的普适性。同样操作，单次循环制备产率为2.3 wt%。所得亚纳米石墨烯横向尺寸约为0.54 nm，厚度约为0.37 nm，从而证实了其亚纳米尺度（破缺单胞状态）。考虑到上述制备策略的机械/力学属性以及单层石墨烯具有已知最高断裂强度，亚纳米石墨烯的成功制备证明了这一策略的高度普适性。亚纳米材料普适制备的实现，展示了自上而下物理制造的极限能力以及破缺晶格的真正潜力，为研究非平衡亚纳米材料的性质和相互作用奠定了重要基础，有望促进亚纳米材料的规模制备和全面开发。 相关研究成果分别以Sub-1 nm MoS2 and WS2 with extremely enhanced performance和Tailoring graphite into subnanometer graphene为题发表在Nano Today和Advanced Materials上。制备方法已申请中国发明专利。该研究工作得到了国家自然科学基金，中国科学院战略性先导科技专项和国家重点研发计划等的支持。 论文1链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223003754 论文2链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310022   图1.亚纳米二硫化钼/二硫化钨物理制备。   图2.亚纳米石墨烯物理制备。 查看详细>>

高兴发课题组在纳米毒理化学的理论设计方向取得新进展，相关成果以Integrated Computational and Experimental Framework for Inverse Screening of Candidate Antibacterial Nanomedicine（抗菌纳米药物反向筛选的计算与实验集成方案）为题发表在ACS Nano。该工作在课题组近期提出的“催化信号转导理论”（Acc.Chem.Res.2023,56,2366-2377;Adv.Mater.,2023,2211151）的基础上，发展了一套集成了科学计算与3D打印技术的方案，实现了从材料数据库中高效、准确地筛选具有抗菌潜力的纳米材料，并通过湿法实验进行了验证（图1）。该方案可移植性强，能够接入人工智能算法，对医用纳米材料的高通量筛选具有重要意义。 图1.筛选抗菌纳米材料的“计算+实验”集成方案。该方案发展了一种针对材料数据库（Materials Project）的计算机程序，实现了HO吸附能（Eads,OH）的高通量自动计算，利用Eads,OH预测合金纳米材料活化H2O2的催化活性，利用元素共价半径（Rc,mix）预测其细胞毒性，利用3D打印技术进行二次筛选，用湿法化学进行实验验证，最终获得了具有优异抗菌活性的合金纳米材料。 高兴发课题组长期从事纳米毒理化学的基础理论研究，发展相关理论模型及计算机辅助方案，在少量实验或无需实验的条件下预测纳米材料杀死有害细胞、保护正常细胞等生物医学功能，以期缩短相关医用纳米材料的研究周期，节约研究成本。在该研究中，他们基于纳米材料通过表面催化作用活化H2O2，氧化细菌有机质，杀死细菌这一关键化学机制，利用他们之前提出的纳米表面活化H2O2理论模型，预测纳米材料的抗菌活性。同时，他们利用前人提出的纳米材料细胞毒性的定量构效关系（Nano-QSAR）模型，预测材料对正常细胞的安全性，发展了从Materials Project材料库中高通量筛选合金纳米粒子的计算方案。该方案同时考虑了材料活化H2O2的抗菌活性以及对正常细胞的安全性，从而能够筛选出具有高效抗菌活性同时对正常细胞具有较低毒性的抗菌材料。随后，利用扫描探针嵌段共聚物光刻技术（SPBCL）制备出高度均匀的金属/合金纳米颗粒，进行二次实验筛选。计算和实验筛选结果表明AuCu3合金兼具高催化活性和安全性，是一种潜在的抗菌纳米药物，最后通过湿化学方法制备了AuCu3纳米材料，验证了其对正常细胞的安全性和优良的抗菌活性，证明了集成筛选方案的可靠性。相关计算机程序已取得中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记认证（图2），可访问https://github.com/xingfagao/PyPOD获得。 图2.高通量筛选抗菌合金材料的计算机程序的著作权登记证书。 国家纳米科学中心征甲甲副研究员为该研究工作的第一作者，高兴发研究员为通讯作者，南京大学、湖南大学、南京林业大学的合作者为共同第一作者或共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金和国家纳米科学中心等项目的资助。 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c09128 查看详细>>

自旋电子器件以高效的方式利用电子自旋进行信息存储、传输和处理，目前已成功应用于电脑硬盘。为了实现性能更加优异、功能更加丰富的自旋电子器件，分子半导体材料凭借其远高于其他材料的自旋寿命而成为近年来自旋电子学领域的研究热点。孙向南课题组长期专注于分子自旋电子器件的研究，目前已在分子半导体材料与自旋特性的构效关系（Angew.Chem.Int.Ed.2023,62,e202213208）、分子自旋电子器件中的界面效应（Adv.Mater.2023,35,2300055）、新型功能性分子自旋电子器件（Science 2017,357,677;Nano Today 2023,49,101763）等方面取得系列研究进展。 近日，孙向南课题组开发了一种聚合物薄膜辅助应变限制无损转移铁磁电极的方法，并成功应用于高性能和高重复性自旋电子器件的构筑。相关成果以Strain-restricted transfer of ferromagnetic electrodes for constructing reproducibly superior-quality spintronic devices为题在线发表于Nature Communications上。 由两个铁磁电极和非磁性中间层组成的垂直三明治结构是自旋电子器件最典型的器件结构。然而，在现有的顶部磁性电极直接沉积过程中，高动能和热能的电极金属原子往往会侵染并损伤非磁性中间层，从而严重影响器件的性能和可重复性。为避免金属电极直接沉积过程带来的界面金属丝渗透和破坏脆弱中间层的问题，出现了电极转移技术。该技术依赖于金属电极的预沉积并将其转移到目标材料上。然而，目前为止无论是湿法还是干法转移技术都面临严重的挑战。湿法转移过程使用的溶剂往往会引入新的杂质，造成额外的散射中心；干法转移过程产生的应变会损伤铁磁电极原本的特性。目前仍然缺少一种无损转移铁磁电极的方法。 最新的研究工作中，孙向南团队通过使用高模量聚合物支撑薄膜将铁磁电极的应变限制在极低水平（<0.025%），以确保在转移过程中铁磁电极的特性得以保持。首先，该工作成功实现了铁磁电极的高质量转移，其微观形貌、电学、磁学等性质在转移前后均保持不变。其次，通过这种无损转移铁磁电极的方法，构建了界面均匀且无侵染的自旋电子器件，降低了界面处的自旋相关散射，提高了器件的性能和可重复性。此外，该方法还具有普适性，能够适用于包含不同类型材料和结构的器件，为构建高质量的半导体器件提供了一种新的途径，同时还展现了在大面积器件阵列中的潜在应用。 该研究工作由国家纳米科学中心孙向南研究团队主导，国家纳米科学中心副研究员郭立丹、特别研究助理谷现荣、博士研究生胡顺华为文章的共同第一作者，国家纳米科学中心孙向南研究员和山东大学秦伟教授为通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导科技专项B类等项目的资助。  图.铁磁电极无损转移制备自旋电子器件的步骤示意图 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45200-7 查看详细>>

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>>