《前沿 | 首个DNA材料制成的纳米马达面世,有望用于驱动化学反应》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-07-25
  • 德国科学家在最新一期《自然》杂志上发表论文称,他们首次成功使用DNA折叠法制造出了一款分子马达。这种由遗传物质制成的新型纳米马达可以自我组装并将电能转换为动能,可以开关,还能通过施加电场控制其转速和旋转方向,未来有望用于驱动化学反应。

    a、b:基座和三角形平台示意图,圆柱体表示DNA双螺旋。c:马达装配步骤。d、e:转子臂组件。f:微型马达动力学实验装置(左);接上电极产生旋转(右)
    汽车、钻机等机器内的马达能帮人们完成日常生活中的各种任务,人体内也有天然分子马达在执行重要任务,如一种被称为ATP合成酶的马达蛋白产生三磷酸腺苷(ATP)分子,供人体短期储存和传递能量。
    天然分子马达不可或缺,但在微观尺度上重建机械性能与ATP合成酶相当的马达则非常困难。现在,研究人员借助DNA折叠术构建了一个能工作的纳米级旋转马达。
    DNA折叠术由美国加州理工学院科学家保罗•罗斯蒙德于2006年发明。该研究负责人、慕尼黑技术大学(TUM)教授亨德里克•迪茨说:“多年来,我们一直在改进这种方法,现在可以借此研制出非常精确和复杂的物体,例如可以捕捉病毒的分子开关等。”
    新型纳米马达由DNA材料制成,包含3部分:基座、平台和转子臂。基座约40纳米高,固定在溶液中的玻璃板上。基座上安装了一个长500纳米的转子臂,使其能够旋转。位于基座和转子臂之间的平台对马达能否按预期工作至关重要。在没有能量供应的情况下,电机的转子臂会因为与周围溶液中分子的碰撞而随机移动,一旦通过两个电极施加交流电压,转子臂就会在一个方向上旋转。
    迪茨表示,这种新型马达具有前所未有的机械性能——它每秒产生的能量比两个ATP分子分裂时释放的能量还要多。此外,可以通过电场的方向及交流电压的频率和幅度来控制转子臂旋转的速度和方向,未来有望用于驱动用户定义的化学反应:在表面密布这种马达,添加起始材料,随后施加一点交流电压,马达就会产生理想的化合物。

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 1、Nat. Nanotechnol.:二维MoS2作为Li-S电池锂金属负极保护层 Li-S电池由于其极高的能量密度(~2600Whkg-1)成为有望取代锂离子电池新一代能源装置,但是Li-S电池采用锂金属负极,锂活性太高,反应不稳定,表面容易生成枝晶和不受控制的SEI膜,因此大大降低了电极的库伦效率与循环稳定性。近日,美国北德克萨斯大学Wonbong Choi教授(通讯作者)等人将~10nm的二维 MoS2包覆在锂金属负极外并进行锂化。层状MoS2纳米结构以及其在锂化过程中的相变反应减少了负极材料的界面电阻,实现了包覆层紧密接触和较高的Li+传输效率。同时,MoS2消除了锂枝晶的成核位点,减少了枝晶的形成。因此,这种Li-MoS2作为负极材料构建的全电池测试中,获得了~589 Whkg-1的比能量密度和1200次循环后,在0.5C下~98%的库仑效率。 文献链接:2D MoS2 as an efficient protective layer for lithium metal anodes in high-performance Li–S batteries (Nat. Nanotechnol., 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0061-y) 2、J. Mater. Chem. A:三明治结构MoS2/S/rGO纳米复合结构作为Li-S电池正极 Li-S电池体系在充放电过程中经历了多步电化学转换过程,其中硫正极会形成长链多硫化锂(Li2Sn,4≤n≤8)中间体。这种具有穿梭效应的中间体和不导电的硫及其放电产物严重限制了Li-S电池的硫利用率和循环寿命,同时,硫向Li2S的转化将引入~80%的体积膨胀,导致电极结构很快失效。因此,华东理工大学的龙东辉教授和凌立成教授(共同通讯作者)等人开发了一种新型MoS2/S/rGO纳米复合结构作为Li-S电池正极。三者具有协同耦合效应,形成具有强大界面相互作用的稳定混合结构,可在循环过程中固定多硫化锂中间体。MoS2作为电催化剂还可加速硫氧化还原反应,因此这种三明治结构具有优异的倍率性能和循环稳定性。这项工作整合了Li-S电池的正极缺陷,化学吸附和电催化概念,为建立多层正极结构提供了新思路。 文献链接:Sulfur film sandwiched between few-layered MoS2 electrocatalysts and conductive reduced graphene oxide as a robust cathode for advanced lithium–sulfur batteries (J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA00222C) 3、Nano Lett.:原位XAS探究MoS2作为锂电池电极材料的反应机理 MoS2由于其类石墨的层状结构作为锂离子的负极材料有大量的研究,但是,MoS2在锂电反应过程中的行为特征并没有详细完整的研究,关于MoS2的锂电反应机理也有较大的争议。因此,近日,美国劳伦斯伯克利国家实验室的Elton J. Cairns和Jinghua Guo(共同通讯作者)等人结合实验和模拟计算完整地揭示了MoS2电极材料的锂电反应机理。锂离子嵌入-嵌出MoS2层状结构是可逆的,使MoS2从2H相转变为1T相,并且伴有少量的锂残余。而之后的转化反应是不可逆的,Li2S在第一次充电时转变为S,无法恢复为MoS2。后续的反应更像Li-S电池的反应特征。该研究完善了MoS2电极的电化学反应机理,有助于MoS2或是其他硫化物在锂离子电池上的设计与应用。 文献链接:Electrochemical Reaction Mechanism of the MoS2 Electrode in a Lithium-Ion Cell Revealed by in Situ and Operando X-ray Absorption Spectroscopy (Nano Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05246) 4、ACS Nano:少层MoS2-纳米碳复合材料三维网络结构用于储锂和储钠 近日,福州大学的詹红兵教授和中国科学院福建物构所的温珍海研究员(共同通讯作者)等人在氧化石墨烯和交联而成的中空碳球上原位生长MoS2纳米片构建三维结构复合材料,作为储锂和储钠材料。三维多孔结构的设计缓冲了MoS2材料在循环过程中的体积变化,多通道有利于电解液的扩散和离子的传输,碳材料增强了整个结构的导电性。由于克服了MoS2材料体积变化率大易坍塌,导电性差和易堆叠等问题,整个三维结构复合电极材料表现出良好的电化学性能,其作为锂离子电池的阳极,在0.1Ag-1电流条件下经过100次循环能保持1145mAhg-1可逆容量,在2Ag-1条件下经过1000次循环能保持753mAhg-1可逆容量下。 对于钠离子电池,,在1 Ag-1条件下经500次循环后也可以保持443 mAhg-1的可逆容量。 文献链接:Three-Dimensional Network Architecture with Hybrid Nanocarbon Composites Supporting Few-Layer MoS2 for Lithium and Sodium Storage (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08161) 5、J. Mater. Chem. A:衍生自MOF结构的核壳Co9S8/MoS2-CN纳米复合材料作为钠离子电池阳极材料 过渡族金属硫化物由于其较高的理论容量值常被作为钠离子电池的负极材料进行研究,构建良好的纳米结构和与碳材料形成复合材料是两个提高其性能的主要途径。碳材料可以吸附和捕获多硫化物中间体,阻止穿梭效应,而纳米结构可以承受循环过程中的体积变化,从而延长金属硫化物电极的循环寿命。因此,中国石油大学(华东)的王荣明教授和康文裴博士(共同通讯作者)等人以ZIF-67为前驱体,制备了核壳Co9S8/MoS2-CN纳米复合材料。这种多孔的复合材料促进快速Na+快速嵌入/嵌出,碳材料提高了整体的导电性并捕获多硫化物中间体,产生协同效应。因此,整个材料显示出了优异的钠储存性能。 文献链接:A yolk–shelled Co9S8/MoS2-CN nanocomposite derived from a metal–organic framework as a high performance anode for sodium ion batteries (J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA00493E) 6、J. Mater. Chem. A:分层MoS2/碳微球作为钠离子电池阳极材料 中国香港科技大学的Francesco Ciucci教授和Jang-Kyo KIM教授(共同通讯作者)等人利用简单的水热法合成了一种分层MoS2/碳微球结构,由中间夹有碳层的三明治结构MoS2纳米片组成。三维结构阻碍了MoS2的聚集,碳材料的结合提高了材料的导电性。另外,等级多孔结构增强了表面积,增加了电化学反应的活性位置。 因此MoS2/碳微球电极显示出极高的可逆容量和优异的倍率性能。此外,第一性原理计算表明,与MoS2相比,MoS2/碳异质界面使Na跃迁的能垒更小,带隙更低。这些新型的三维MoS2结构为制造能够实现高倍率性能和长循环寿命的过渡金属硫化合物材料提供了新途径。 文献链接:Hierarchical MoS2/Carbon microspheres as long-life and high-rate anodes for sodium-ion batteries (J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C7TA11119C) 7、Energy Environ. Sci.:MoS2/TiO2异质结构作为非金属等离子体光催化剂用于高效析氢 太阳能制备清洁化学燃料是解决全球环境问题的一个重点。TiO2材料由于其稳定性好、价格低廉等优势已成为太阳光分解水的重要光催化剂。但TiO2为宽禁带半导体,对太阳光吸收效率太低。因此,美国中佛罗里达大学的Yang Yang教授和美国太平洋西北国家实验室的Yingge Du研究员(共同通讯作者)等人结合PVD与CVD的方法将层状MoS2纳米片涂敷在TiO2纳米孔阵列内表面上并将其应用于太阳光分解水制氢中。这种异质结构在UV-vis-NIR范围内显示出强大的光子收集能力,显著提高了H2产出效率。这种非金属等离子体激元异质结构也有望应用于其他2D材料系统,用作高效光催化剂。 文献链接:MoS2/TiO2 heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution (Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE02464A) 8、Nano Energy:多活性边缘单层MoS2用于高效析氢 析氢反应是电化学水分解过程中的关键步骤,在实际应用中,需要高效,稳定易得的催化剂。二维层状MoS2由于具有合适的吉布斯自由能可以较容易地吸附氢原子,因此可作为铂基催化剂的替代物。MoS2的析氢活性来自其活性边缘位点,而(002)基底面具有催化惰性。但是直接合成边缘丰富的MoS2纳米片仍然具有挑战性。近日,北京大学的戴伦教授、叶堉研究员和李彦教授(共同通讯作者)等人直接在熔融石英上合成了具有大拉伸应变的分形单层MoS2,其具有大量的活性边缘位点。这是由大拉伸应变引起的,该材料优异的HER催化活性,为将来二维HER催化剂的设计与调控提供了新思路和新方法。 文献链接:Engineering active edge sites of fractal-shaped single-layer MoS2 catalysts for high-efficiency hydrogen evolution (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.02.027)
  • 《碳纳米管:个性十足的神奇材料》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-07-27
    •   近日,中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组,首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板,构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法,可直接得到纳米笼状结构,为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。   无独有偶。几乎在同时,以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员,使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管,为何如此受各国科学家追捧?   空间结构像“挖空的足球”   1985年,“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空,保持表面的五角和六角网格结构,再沿着一个方向扩展六角网格,并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键,就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。   碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管,层与层之间保持固定的距离,约0.34纳米,直径一般为2—20纳米。   “可以将碳纳米管联想为头发丝,而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一,即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者,作为典型的一维纳米结构,单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管,直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米,目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。   杜平武告诉记者,碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征,碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。   制备方法是挑战   “通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者,电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单,但很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。”   “随后科研人员又发展出了化学气相沉积法,在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷,得到的碳纳米管纯度比较高,但管径不整齐,形状不规则。”杜平武说,后续逐步发展起来的固相热解法等,均受限于环境和条件。   “碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似,其副反应复杂多样,很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说,在强酸、超声波作用下,碳纳米管可以先断裂为几段,再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸,而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。   “如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖,那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管,便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说,这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。   性能及尺寸超越硅基材料   “碳纳米管具有完美的一维管式结构,碳原子以碳—碳共价键结合,形成自然界中最强的化学键之一,因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键,所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说,碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面,具有超越传统的导电、导热特性等等。   2013年,斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年,碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破,势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。   碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体,不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性,可以做成曲面,已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。   碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管,给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管,科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位,结构均一性的控制方法和理论不断创新,控制指标也逐年刷新。”杜平武说。