纳米材料

澳大利亚开发出纳米“弹簧” 可清除水中塑料

据报道，目前，大量塑料垃圾流入河流和海洋，严重威胁环境，并破坏动物、人类和生态系统的健康。如何清除水中的塑料微粒同时又不伤害微生物呢？最近，澳大利亚研究人员开发出一种新方法，他们利用微螺旋状碳基磁性材料制成一种“弹簧”，可有效清除水中的塑料。相关研究近日发表在《物质》上。

“塑料微粒在水中吸附了各种有机和金属污染物，水生动物一旦误食，这些有害物质就会释放到它们体内，并在食物链中层层积累。而高稳定性的碳纳米弹簧则可以促使这些塑料微粒分解成更小的化合物，以避免它们威胁海洋生态系统。”通讯作者之一、澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院教授王少彬表示。

现行的塑料微粒处理工艺使用的主要是活性氧，活性氧是一种不稳定的化学物质，遇到长链有机分子时会发生链反应，将这些长链分子“切割”成可溶于水的无害小分子。但活性氧的制备过程通常要用到铁、钴等重金属，而这些重金属本身就会对环境造成污染。

为了解决这个问题，王少彬团队提出了一种更环保的方案：使用含氮的碳纳米管材料催化活性氧的合成。这种弹簧状碳纳米管催化剂在8h内就能清除水中大部分的塑料微粒，而且在分解塑料微粒所需的苛刻氧化条环境下仍保持稳定。螺旋碳纳米管结构一方面让催化剂更加稳定，一方面也实现了反应面积的最大化。此外，这种碳纳米管内部还含有少量锰（锰被置入碳纳米管深处，以免与水接触），因而具有磁性。

“让碳纳米管具有磁性可谓好处多多，这样当它真正用于环境修复时，就很容易从各种废水中回收，然后重复利用。”该项目的联合负责人、阿德莱德大学化学工程学院研究员段晓光说。（中国科学报）

中英联手攻关悬浮石墨烯传感芯片

据报道，8月21日，东旭光电副总裁、石墨烯事业部总裁冯蔚东表示，作为石墨烯发源地、全球石墨烯科研中心的英国曼彻斯特大学，将与东旭光电等合作，致力于悬浮石墨烯传感芯片产品的研发和商业化应用推广。

中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范说，悬浮石墨烯传感器技术应用无论在学术界还在产业界均属首例。双方合作有望带来开启全球石墨烯产业化应用面向全新时代的标志性产品。

石墨烯高端应用在全球呈快速发展趋势。美国、欧盟、日本等80多个国家皆将石墨烯材料发展提高到战略高度，欧洲石墨烯旗舰计划、韩国国家石墨烯计划、新加坡国家石墨烯研究院等相继实施和落地。我國作为全球石墨烯产业化发展最活跃的地区，已在涂料、采暖器和电热膜等工业领域实现了石墨烯应用零的突破。

化学气相沉积（CVD）法生产石墨烯是将碳原子沉积在特定基体上的一种生产单层石墨烯方法，但其具有转移步骤成本高，导电率低的缺点。硅晶圆悬浮石墨烯技术是通过传统半导体工艺，形成上表面为单层石墨烯薄膜的悬浮腔体阵列，最终形成硅晶圆表面的悬浮石墨烯阵列。

冯蔚东说，悬浮石墨烯传感芯片技术为CVD石墨烯薄膜“分布”创造了独特的解决办法，使石墨烯能更好发挥其电学和力学性能。悬浮石墨烯传感芯片技术在力学、温度、湿度检测以及传感等领域将有广阔的应用前景。（科技日报）

新型仿生纳米复合纤维材料既强又韧

据报道，从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏教授研究团队借鉴天然生物纤维的策略，成功研制了一种既强又韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料。相关成果日前在线发表于《国家科学评论》。

纳米尺度纤维素是地球上储量最丰富的纳米级原材料，其密度低、热稳定性好、力学性能出色，同时可降解、可再生、可持续，因而受到诸多关注。然而，人工制备的纤维素基宏观纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚很难解决，低韧性、易脆断等问题严重限制了此类材料在先进织物等领域中的实际应用。

反观自然界，许多植物纤维和动物纤维都实现了高强度和高韧性的完美组合。它们具有一些共性：都是天然的纳米复合材料，由高度取向的高强度纳米纤维单元包裹在较柔软的有机物基质中构成，并具有高度有序的多级螺旋缠绕结构。

研究人员以高强度细菌纳米纤维素作为增强基元，以海藻酸钠生物大分子作为有机物基质，将两者的复合水溶液进行溶液纺丝，得到拉伸强度初步提升的单取向结构宏观纳米复合纤维。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190MPa，而所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420 MPa。随后，他们通过多级螺旋缠绕结构设计，得到了具有类似生物纤维结构特征的宏观人工纤维材料，其拉伸强度继续提升25%，断裂延伸率和韧性则分别同步提升近50%和100%，最终拉伸强度、断裂延伸率分别可达535MPa、16%。

该成果所获得的最高拉伸强度可以和高性能纤维素基天然植物纤维相媲美，这种仿生纤维结构设计策略有望应用在其他复杂等级结构材料的设计和制备中。（科技日报）

我国取得量子研究重大进展世界首次实现高维度量子隐形传态

据报道，经过多年研究攻关，我国科学家日前在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态，为发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。近日，国际权威学术期刊《物理评论快报》发表了这一最新研究成果，并称其是“量子通信领域的一个里程碑”。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍，量子隐形传态，是一种全新的通信方式，类似于科幻电影中的星际穿越。它能借助量子纠缠这一特性，将未知的量子态传输到遥远地点，而不用传送物质本身，是远距离量子通信和分布式量子计算的核心功能单元。

在自然世界中，真实的物理体系往往包括多个粒子，每个粒子包含多种自由度，而每个自由度又可以有多个维度。要真正实现复杂量子物理系统的完整态传输，并把它应用于可扩展的量子信息技术，量子隐形传态就需要走向多体、多终端、多自由度、高维度和远距离。1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，入选了“百年物理学21篇经典论文”；2006年，中国科学技术大学潘建伟院士团队实现了两光子复合系统的量子隐形传态；2015年，该研究团队首次在世界上成功实现了单光子多自由度的隐形传态。在理论创新的基础上，潘建伟研究团队发展高稳定性多通道路径干涉技术，开创了多光子多维度相互作用的实验先河，成功实现了高维度量子隐形传态，并严格证明了该过程的非经典性以及高维特性。

美国物理学会等发表评论称，这一成果为传输粒子的完整量子态铺平了道路，也为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的科学基础。（中国科学技术大学）

二维材料限域催化获进展

据报道，中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员邓德会和中科院院士包信和团队，近日在《先进材料》上发表了题为“二维材料限域催化用于能源转化”的进展报告。

二维材料限域催化在能源小分子如甲烷和甲醇等催化转化方面有着潜在的应用前景。作为代表性的二维材料限域催化体系，二维材料晶格限域单原子和二维材料限域金属颗粒已在一些催化反应中展现出了高的催化活性、选择性和稳定性。

该报告总结了二维材料限域催化体系在结构设计、反应应用以及构效关系中的研究进展，重点介绍了不同二维材料表界面调控方式对限域环境和活性中心的影响，并就二维材料限域催化在能源小分子转化和利用方面进行了总结和展望。

在二维材料限域单原子催化方面，该团队利用低温溶剂热的方法，直接化学合成了氮原子掺杂的石墨烯；利用固相球磨的方法将metal-N4限域在石墨烯晶格中，首次直接观察到Fe-N4中心的原子和配位结构，该系列催化剂在甲烷、苯等选择氧化转化中表现出了优异的催化活性和选择性。在二维材料限域金属颗粒催化方面，该团队为解决非贵金属催化剂在苛刻条件下的不稳定性问题，利用石墨烯限域非贵金属颗粒作为催化剂，率先提出“铠甲催化”的概念，为苛刻条件下高稳定催化剂的设计提供了新途径。（中国化工报）

上海微系统所在石墨烯基可穿戴纤维传感器方面取得进展

据报道，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员丁古巧课题组提出了通过结构化设计减少石墨烯与高分子接触面积来提高灵敏度的策略。

传感器是物联网终端设备的核心元件。可穿戴应力应变传感器可用于收集人体重要信号和人机交互，除实现精确感知所需的高灵敏度特征外，实际应用对传感器的穿戴舒适度、重量、可靠性和稳定性均有非常高的要求，因此更敏感、小型化、集成化是目前传感器的发展趋势。将传感器集成到传统纤维中，利用其可直接编织到衣物的優势实现对人体局部形变的准确捕捉，是可穿戴传感器件小型化和集成化的重要思路。

为解决上述问题，丁古巧课题组利用石墨烯/聚偏氟乙烯/聚氨酯DMF体系在水相的相分离过程，制备了高分子纳米球修饰的石墨烯多孔网络纤维，这种结构大幅增强了该纤维在发生形变时石墨烯片层之间的结构变化，从而实现石墨烯基纤维灵敏度的显著提高。

将此纤维编织进纱布并作为眼罩，可实时监测眼球的转动等信息，未来可用于眼疾病人的监测和睡眠监测；同时，将该纤维集成到创口贴中，贴到手腕处，能够识别手腕脉搏，而且脉搏信号能够非常清晰表现出脉搏上的不同信号；该纤维也可编入手套，对不同手的弯曲进行感应，表明其对于动作信号准确把控。正是由于小球结构的存在，赋予该纤维比普通纤维更高的灵敏度，上述结果满足可穿戴应变传感器的要求，体现了石墨烯基应变传感器件在智慧医疗、可穿戴设备等领域的应用潜力。（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）

绝缘基底上可控制备单层石墨烯薄膜研究取得进展

据报道，在国家自然科学基金委和中国科学院先导项目的支持下，中科院化学研究所有机固体重点实验室于贵课题组长期致力于CVD可控制备石墨烯研究，并取得了系列进展。

化学气相沉积（CVD）是生长大面积高质量石墨烯的有效方法之一。在石墨烯的CVD生长过程中，需要使用金属催化剂，石墨烯需要转移才能构筑电学器件，与当前的半导体加工工艺不兼容，同时转移会造成石墨烯的褶皱、破损和降低其电学性能。如能在绝缘衬底上实现石墨烯的无金属催化生长，那就不需要转移可直接构筑电学器件。但是，不同于多数金属基底上的自限制生长方式，石墨烯在绝缘基底上的CVD生长常常会伴随有生长速度慢与重复成核等缺点，因而会形成均匀性差并具有不确定层数的石墨烯膜。因此，在绝缘基底上直接制备大面积均匀单层石墨烯薄膜，对其实现与半导体行业对接和加速石墨烯工业化应用进程具有深远影响。

近日，研究人员采用了一种新的前驱体调控策略成功地抑制了石墨烯的二次成核，从而在绝缘基底上直接生长出大面积高质量的均匀单层石墨烯薄膜。通过对石墨烯生长机理的研究得知，二氧化硅衬底表面的羟基化弱化了石墨烯边缘与衬底之间的结合，进而实现了初级成核主导的石墨烯生长。场效应晶体管（FET）器件测试结果显示出制备的均匀单层石墨烯膜具有优异的电学性能，是目前绝缘基底上生长的石墨烯薄膜器件的性能最高值。这种无需任何复杂的转移过程，简便可控在绝缘基底上制备高质量石墨烯薄膜的方法，使石墨烯在集成电子和光电子领域中的应用又迈进了一步。

核酸自组装纳米结构的肿瘤靶向治疗方面获进展

据报道，中国科学院国家纳米科学中心丁宝全课题组在多功能核酸自组装结构递送小分子药物领域已获得一系列进展。这些多功能的DNA自组装载体实现了药物的高效递送，表现出了优异的肿瘤治疗效果。在最近发表的研究工作中，丁宝全课题组与中科院化学研究所研究员肖海华及中国科学技术大学教授刘扬中合作，首次将具备结合表皮生长因子受体功能的纳米抗体精准定位组装在DNA四面体结构上，并在纳米抗体修饰的DNA四面体中通过非共价分子间作用装载具有芳香环结构的铂药56MESS，制备具有主动靶向功能的铂药递送体系。该体系在活体水平表现出优异的肿瘤抑制效果，并极大地降低铂药的毒副作用。（国家纳米科学中心）