清华大学团队，实现激光3D纳米打印技术新突破！
量子点，是下一代显示器件的关键材料。更小的发光单元尺寸，更高的器件集成密度，可以推动虚拟现实技术（VR）、近眼显示等领域的发展，助力人们在元宇宙中遨游。清华团队研究出一种最新技术，利用全新的打印原理和机制，赋予3D纳米打印技术更多的神奇特性。该技术有望提升VR显示分辨率，让人们看到一个高清的虚拟现实世界。
近日，清华大学精密仪器系孙洪波教授、林琳涵副教授课题组提出了一种全新的纳米颗粒激光3D打印技术，利用光生高能载流子调控纳米颗粒表面化学活性，实现纳米粒子间化学键合的三维装配。
研究团队在世界范围内首次应用了全新的打印原理并展示了多种不同纳米粒子的复杂三维结构和异质结构，在纳米粒子器件化领域实现了新的突破。这项技术实现了超越光学衍射极限的高精度激光微纳制造，打印点阵列密度超过20000ppi，为超高分辨功能器件的制备提供了新思路。芝加哥大学Dmitri V. Talapin教授对该技术也给予了高度认可和评价。
该成果于近日发表在《科学》（Science）期刊上，题为“光激发诱导化学键合实现半导体量子点3D纳米打印”（3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding）。
纳米科学与技术作为21世纪最热门的研究领域之一，对当前集成化、智能化发展有着重要推动作用，无论是在先进电子设备，还是生物医学检测等领域，都随处可见纳米技术的应用。
当然，这些前沿应用背后的原理是基于材料尺寸减小至纳米尺度所产生的一系列奇特的物理、化学新效应，包括半导体材料中的量子限域效应与量子隧穿效应、金属材料出现的表面等离激元共振等。现有的纳米器件的制备主要基于光刻、电子束曝光等微纳制造技术，仅适用有限种类的纳米材料，并且作为平面化制备工艺，难以实现纳米材料的三维制造。而另一方面，利用化学合成可以实现丰富多彩（不同尺寸、形貌、成分）纳米粒子的制备与精确裁制，并且这些纳米材料的晶体质量高、表面质量好，光、电、磁等多方面性能优越。然而这些化学合成的纳米粒子缺乏有效的器件化制备工艺，成为了其广泛应用的技术瓶颈。
针对以上难题，研究团队提出了光激发诱导化学键合的新原理，实现了纳米粒子的激光三维装配技术，以各种纳米粒子作为原料来组装三维纳米器件。以核壳结构的半导体量子点为例，利用激光激发量子点产生电子-空穴对，通过能级匹配，驱动光生空穴的隧穿和表面迁移，促使量子点表面配体脱附并形成活性化学位点，进而诱导量子点的表面化学成键，实现量子点之间的高效组装。
图1：光激发诱导化学键合的原理示意图
基于以上原理，研究团队进一步对激光束进行聚焦与程序化扫描，实现了纳米材料复杂三维结构的精密成型。与现有的微纳加工制备技术相比，这项技术具有以下鲜明特征：
打印材料纯度高：与现有的激光3D纳米打印技术相比，这项技术突破了光聚合的原理限制，不需要任何光学粘合组分，实现了接近100%功能纳米粒子组分的3D打印；三维加工能力强：能够实现复杂线性、弯曲和体结构等多种三维结构的纳米打印，从而用于构造新功能三维光电器件；具备多组分打印功能：以不同尺寸的量子点作为原料，这项技术展示了多组分的异质复合打印能力；打印分辨率高：利用非线性光激发，使打印分辨率突破光学衍射极限，打印点阵列密度超过20000ppi，打印极限分辨率达到77nm，有助于实现超高分辨率显示器件，推动VR领域的发展。
图2：量子点3D纳米打印结构形貌及荧光图
同时，光激发诱导化学键合的微纳制造原理具有广泛的材料和结构适应性，通过能级设计可以实现多种半导体、金属材料的高精度微纳制造，开辟了纳米器件制备工艺新途径，在片上光电器件集成、高性能传感材料等领域具有重要的应用前景。
华中科技大学院士团队，为电池健康管理提供新思路
10月12日，华中科技大学丁汉院士、黄云辉教授、袁烨教授组成的创新交叉团队在英国皇家化学学会的旗舰期刊Energy & Environmental Science上，发表了题为“Real-time personalized health status prediction of lithium-ion batteries using deep transfer learning”（《基于深度迁移学习的锂电池在线个性化健康评估》）的原创性研究论文, 被选为封面文章刊出。
在“双碳”国家战略大背景下，各行各业的动力系统电动化是必然趋势。作为“动力心脏”的电池健康评估是公认的高价值科研问题。电池健康评估技术结合电池材料修复和回收技术，可以优化能源产出率，有力推动“双碳”目标实现。近年来，以机器学习为代表的电池健康评估方法能够利用少量量测数据评估电池的循环寿命、健康状态以及在特定充放电循环的剩余有效寿命。然而，针对实际使用场景，现有电池健康评估技术存在以下两大共性问题：
（1）不同用户使用电池习惯不同，放电策略的不一致性使得电池数据间的分布差异很大，通过利用其他放电策略的电池数据建立模型直接评估新电池会导致精度无法满足实际需求；（2）受限于对历史数据的严重依赖，无法实时评估任意充放电循环的电池健康。
因此，现有技术难以建立可靠的通用模型，做不到实时查验不同用户、不同电池的健康情况。产业界亟需可个性化定制的健康管理方案，通过提供通用的可规划电池使用策略，保障用户的使用安全，为制造商改进电池材料提供科学参考。
图：在线为不同用户评估电池健康
华中科技大学丁汉院士团队长期致力于机械、材料、人工智能等多学科交叉研究，深入挖掘多学科的共性科学问题。面对难题，该团队创新性地引入人工智能中迁移学习的思想，为用户定制了实时个性化的电池健康评估方案。这种方法仅需使用30个历史循环数据，就能实现同一材料类型电池不同放电策略间的健康评估迁移，以及不同材料类型锂电池间的健康评估迁移，预测全部实时在线完成。相较于该团队2020年在National Science Review杂志上提出的通用框架“A general end-to-end diagnosis framework for manufacturing systems”（《机械系统通用诊断框架》），文章提出的电池个性化健康评估的精度提高了3~5倍。相较于麻省理工学院和斯坦福大学联合在Nature Energy杂志上提出的电池健康评估方法，文章提出的方法不仅能为不同用户定制实时健康评估，使用的历史数据量减少了2/3。此外，文章公开了迄今为止全世界最大的锂电池多放电策略标准数据集，可为相关领域学者和工业界人士在本领域的研究提供数据标准。文章提出的“实时个性化”迁移方法为电池健康管理提供了新的思路，这项成果可拓展到固态电池、准固态电池、锂硫电池、钠离子电池等健康评估中，对于电池制造、测试、回收等领域具有重要意义。
上海理工大学团队在光解水制“绿氢”方向上取得新突破
开上氢能源汽车，加氢3分钟就能跑800公里，还是零排放，随着制氢技术的发展和产业化应用，这一场景有望成为现实。在碳达峰、碳中和背景下，氢能成为未来的重要能源，如何高效、低成本制氢，特别是光解水制“绿氢”是许多科学家研究的方向。
北京时间2022年10月18日4时，上海理工大学材料与化学学院化学系廉孜超特聘教授和京都大学化学研究所“通过等离子体能量上转换利用红外太阳能”（Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion）的研究成果发表于绿色可持续发展技术和环境科学领域国际顶级期刊《自然-可持续发展》(Nature Sustainability)。研究提供了一种利用未开发的太阳能红外光区诱导材料能量转化的新方案，在国际上填补了非贵金属实现高效的等离激元能量上转换效率这一领域的空白，意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。
图：《自然-可持续发展》Nature Sustainability论文封面图
太阳光光谱中包含5%的紫外光、43%的可见光和52%的红外光，以往有关光催化的研究大多限制在紫外光和可见光范围内，而几乎占太阳能一半的红外光却被白白浪费了。是否可以开发出能够拓展太阳光谱响应范围的光催化剂，从而充分利用太阳光资源呢？
带着这样的疑问，廉孜超教授团队进行了深入研究，创造性地提出使用半金属-半导体性质的硫化铜（CuS）构建半导体异质结，形成良好的等离子体红外到可见能量上转换系统，从而大幅提升红外光利用率，也使氢能的规模化、平价化应用成为可能。
“当入射光子频率恰好与金属纳米颗粒或金属传导电子的整体振动频率相匹配，可以视为光子成功‘拨通电话’，并被振荡‘接通电话’后吸收，只有极少的光发生散射，此时光谱上出现一个较强的共振吸收峰，产生的表面等离激元电子和空穴会同时传递到临近的宽禁带半导体上面。”廉孜超教授团队，将这一过程形象地称为“等离子体爬坡”，并介绍这意味着光催化剂中的等离激元只要攀升到能发生局域表面等离子体共振的“坡”上，就能实现能量的增强和转化，将太阳能中的红外光能转换为可见光能，最终达到提高红外光利用率的目的。
图：上海理工大学 廉孜超特聘教授
在利用红外光让“水变氢”的过程中，光催化材料是核心，材料的活性、稳定性和成本则是决定光催化技术能否实际应用的关键。“关于等离激元上转换，目前只有极少数的课题组报道过，主要集中在金银合金修饰的GaAs半导体，其能量转换效率在0.1-1%。而廉孜超教授团队利用硫化铜成本更低，转换效率达到5.1%。”
图：红外光到可见光能量上转换机理图
整个研究历时5年之久，廉孜超研究团队辗转国内外，远赴丰田工业大学和日本立命馆大学做瞬态吸收光谱相关测试。测试过程中，团队尝试多种可能的方法，发现了高效率的等离子体空穴的转移现象，对等离子体红外到可见能量上转换系统的构建有了初步构想。由于等离激元上转换这一领域涉足者鲜少，廉孜超团队选择的“拓荒之路”注定充满艰辛。催化剂在转换系统中扮演着重要角色，而研究团队把兴趣称作科研过程中最好的“催化剂”功夫不负有心人，最终研究团队将红外光到可见光的等离激元能量上转换效率推至5%以上。
谁是血红素“物流”中的搬运工？浙江大学团队最新成果登《Nature》
血液为什么是红色的？这是因为红细胞中存在血红素这种物质。可别以为血红素只是个“染色剂”，它实则是一种必要的生命因子。血红素在血液中负责氧气的运输，并参与细胞呼吸、信号转导、基因表达调控、昼夜节律调控等生物学过程。血红素不足会引起贫血和卟啉症，而过多或处置不当的血红素会产生毒性，并会增加癌症、代谢性疾病和心血管疾病的风险。为此，查明运输血红素的“物流”通路显得十分必要。
北京时间10月19日，浙江大学生命科学学院陈才勇教授团队在国际顶级期刊《Nature》发表研究论文，揭示细胞内血红素转运的重要机制。该研究发现一个血红素分子伴侣家族，其成员HRG-9、HRG-10和TANGO2把血红素转运出血红素贮存部位或合成部位，以供给其它亚细胞部位利用。《Nature》同期发表了研究简报，介绍该研究成果并进行评述。
早在上个世纪50年代，科学家对血红素的合成通路就有较深入的研究。但到目前为止，细胞内的血红素运输通路还不清楚，其中一个重要原因是很难将运输血红素的蛋白与血红素合成调控因子区分开来。细胞中的血红素合成和运输过程受多种因素调节，很难绕开制造过程去研究运输问题，如果改变运输因子，很可能会受到合成相关因子的反馈，影响细胞内的血红素水平，从而干扰实验结果。
为了解决这一研究症结，陈才勇教授团队实验室通过秀丽线虫这一模式动物开展血红素运输研究。秀丽线虫与绝大多数生物不同，它自身不能合成血红素，但又需要血红素来维持生命活动。据陈才勇团队介绍，线虫体内的血红素完全来自于食物，然后贮存在溶酶体相关细胞器这个“仓库”中并输送到需要的部位，因此它为血红素运输通路的研究提供了理想模型。
团将秀丽线虫分为多组，分别暴露于高浓度、适合浓度和低浓度血红素的环境，通过分析线虫基因的表达模式，发现一个未知基因，它的表达受血红素调控。团队把这个基因命名为hrg-9（heme responsive gene-9），线虫上还有一个与hrg-9相似的基因，被命名为hrg-10。
在秀丽线虫中，HRG-9和HRG-10主要负责动员和利用血红素，将血红素从“仓库”中运出来。当线虫缺失HRG-9或HRG-10后，血红素积累在贮存部位，而细胞内的其它地方则缺乏血红素。
经陈才勇教授团队实验的分析，发现能合成血红素的生物中，有一个与hrg-9相似的基因叫TANGO2。该基因最初被认为与蛋白分泌及高尔基体结构有关。研究人员采用多种研究体系和实验方法，发现酵母、斑马鱼和哺乳动物的TANGO2也都能运输血红素。在这些生物的细胞中，TANGO2将血红素从线粒体这个制造血红素的“工厂”中直接运出，以促进血红素的利用。
已有文献表明，人TANGO2基因突变会引起一种罕见的遗传性疾病。已报道的患者均为幼儿或儿童，患者出现发育迟缓、横纹肌溶解、心律失常、癫痫、代谢综合征等多种症状。
过去由于缺乏对TANGO2功能的认识，TANGO2突变引发疾病的病因仍不清楚。谈及未来，据研究团队介绍，有关成果为理解TANGO2疾病的病理学机制及探索该病的治疗策略提供了重要基础。发现斑马鱼的tango2对于早期生长发育也至关重要，在斑马鱼上敲除tango2后，幼鱼表现出脑病、心律不齐、肌肉损伤，并在发育早期死亡，这些病理症状与患病儿童的临床表现相似。这为研究TANGO2疾病的发病原因和治疗策略提供了一个疾病模型。
四川大学在组织诱导性生物材料研究方面，取得重要首创成果！
四川大学张兴栋院士团队坚持以“组织诱导性生物材料”为研究核心，结合课题组前期生物活性聚芳醚酮材料相关研究（ACS Biomater. Sci. Eng. 2016, 2(6): 977−986; Biomaterials, 2018, 170: 116-126; Science advances, 2020, 6(50): eabc4704），通过模拟自然骨多尺度结构特征，设计和制备了具有类骨多尺度结构和力学性能的仿生聚芳醚酮支架材料。研究结果证实，该支架可通过激活cAMP/PKA信号通路介导干细胞的成骨分化，进而实现体内异位诱导新骨形成，并促进骨缺损的再生修复。这也是自1969年Winter等人在Nature上短暂报道聚甲基丙烯酸羟乙酯海绵后（Nature, 223, 88-90），50多年来首次发现了惰性高分子材料的异位诱导成骨现象。
组织诱导性生物材料是一种不添加细胞和（或）生物活性因子，经过设计用于受损或缺失的组织或器官再生的生物材料，已列入二十一世纪生物材料定义，代表生物材料发展的新方向和前沿。材料诱导组织再生的理念源于生物材料骨诱导性的发现和确证，其典型代表是已获批上市的骨诱导磷酸钙生物陶瓷，广泛应用于临床骨缺损的再生修复，表现出媲美自体骨和生长因子的修复效果。
尽管如此，陶瓷本身的脆性使其在承重部位骨缺损修复应用中有较高的风险。相较于生物陶瓷，医用金属和高分子材料具有广阔的力学调控空间，在承重骨修复方面具有独特的优势。在生物材料骨诱导理论指导下，前期已有骨诱导性多孔金属的相关报道，但开发兼具骨诱导性和适宜力学强度的医用高分子材料一直是骨科生物材料领域面临的难题和挑战，至今鲜有成功报道。
图：骨诱导聚芳醚酮材料的制备、表征及作用机制
本研究结果确证了生物材料骨诱导性在医用高分子材料中的普适性，既是对我国原创生物材料组织诱导理论的补充和完善，还为新型骨和其它组织诱导类植入器械开发提供了研究思路和材料基础。该工作以“A unique biomimetic modification endows polyetherketoneketone scaffold with osteoinductivity by activating cAMP/PKA signaling pathway”为题发表在Science Advances