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近期，西安交大科研人員在納米限域光催化研究、光熱/無限配位聚合物雙藥協(xié)同腫瘤治療、高溫吸波材料研究、新冠病毒損傷血管的重要機制、單細胞核酸分析、燃料電池催化劑制備、太赫茲光照誘導的二維材料結構相變理論研究、基于撓曲電效應的光電探測器、活體成像等領域接連取得重要進展，一起來看這些新突破、新成果！

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1

西安交大科研團隊

在納米限域光催化研究方面取得重要進展

發(fā)表期刊

ACS Nano

內容摘要

“限域催化”是多相催化中的一個重要概念——由于限域空間對反應物種物理化學性質及吸附擴散行為的影響，在限域空間中的催化反應通常比宏觀體系中的反應具有更高的活性和選擇性。然而，限域作用增強反應性能的本質機理仍不明確，成為限域化學領域的一個亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。

近日，西安交通大學電氣學院、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室新型儲能與能量轉換納米材料研究中心石建穩(wěn)副教授團隊與德國馬普膠體與界面研究所Aleksandr Savateev博士及中科院理化所江雷院士合作，利用石墨相氮化碳（g-C3N4）納米管膜的一維限域孔道實現了高效光催化過程，證明了納米限域微環(huán)境在調控催化性能上的重要作用。

該研究工作基于空間限域和流動化學耦合效應，利用g-C3N4納米管膜的內腔（直徑40 nm）作為微型反應器，用于連續(xù)流動體系中的光催化有機轉化反應。該催化劑每秒每平方米表面上可降解的亞甲基藍分子數為9.19×1021，數量級遠超過文獻中報道的宏觀體系催化劑活性。納米金修飾的g-C3N4納米管膜在芐胺氧化偶聯制備亞胺的反應中表現出良好的光催化性能，其表觀量子產率為1.9±0.7%，是宏觀體系催化劑性能的兩倍。

進一步研究發(fā)現，該限域環(huán)境具有對流體性質和電子轉移特性兩方面的調變作用：限域孔道內流體的實際流速遠大于理論流速，進而可能造成氧氣的擴散系數增大、反應物分子在固液界面處的有序性增強；納米管內腔帶負電的基團可以形成內建電場，進而引起反應物分子的極化、促進光生電子-空穴對的空間分離。這些“協(xié)同限域效應”使g-C3N4納米管腔內的光催化反應表現出明顯不同于宏觀反應的特性。該研究工作提供了一種在不改變催化劑組成的情況下，利用g-C3N4納米管的管腔結構，達到調控空間內物質的物理化學性質，進而提高光催化效率的有效途徑，對揭示空間限域效應作用機理、拓展其在催化領域的應用具有重要的意義。

文章作者

論文第一單位為西安交通大學電氣學院，第一作者為電氣學院博士生鄒雅珺。此項研究是西安交通大學電氣學院、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室新型儲能與能量轉換納米材料研究中心石建穩(wěn)副教授團隊與德國馬普膠體與界面研究所Aleksandr Savateev博士及中科院理化所江雷院士合作成果。

論文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c09661

研究團隊網頁

http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/jianwen.shi/home

2

西安交大科研人員

在光熱/無限配位聚合物雙藥協(xié)同腫瘤治療方面

取得重要進展

發(fā)表期刊

Advanced Functional Materials(IF=16.8)

內容摘要

近日，西安交通大學生命學院生物醫(yī)學影像與應用研究所吳道澄教授課題組根據無限配位聚合物的特點，提出了一種兩階段雙協(xié)同腫瘤治療新策略（Two-stage Dual-synergistic Tumor Therapy），第一階段PTT聯合棉酚和綠茶多酚兩種藥物的ICPs光熱/化療協(xié)同治療，第二階段ICPs中的兩種藥物聯合化療。為此，研究人員將棉酚和綠茶多酚與Fe3+無限配位聚合物，摻雜1.3%光熱劑IR780，再以包封具有腫瘤靶向能力的透明質酸（HA）為外殼，制備了負載IR780的透明質酸包裹棉酚-Fe(III)-兒茶酚無限配位聚合物納米顆粒（HA@IRGFE ICP NPs）來實現兩階段雙協(xié)同的腫瘤治療策略。體外實驗證明HA@IRGFE ICP NPs先釋放IR780和ICPs光熱/化療協(xié)同治療，然后ICPs中兩種藥物釋放聯合化療，達到了兩階段雙協(xié)同腫瘤治療的效果。動物實驗表明該方法的腫瘤抑制率高達98.7%，60天后腫瘤的復發(fā)率僅為12.5%。實現了腫瘤的高效的光熱和雙藥ICPs協(xié)同治療，該系統(tǒng)全部由天然產物組成，對正常組織毒副作用極低，在未來的腫瘤治療中具有廣闊應用前景。

文章作者

論文第一作者為西安交通大學生命學院博士生雒思遠，吳道澄教授為唯一通訊作者，西安交通大學生命學院為該論文的第一和唯一通訊作者單位。

論文鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202100954

3

西安交大科研人員

在高溫吸波材料研究領域取得新進展

發(fā)表期刊

內容摘要

近期研究表明，通過將一維納米材料組裝成三維網絡結構，利用納米材料的大比表面積和大量的表面懸鍵，以及三維網絡結構對電磁波的多重反射和散射，可顯著增加電磁損耗。同時，通過在吸波材料中引入透波相，可提高吸波材料與環(huán)境的阻抗匹配，進一步增強對電磁波的吸收。陶瓷氣凝膠是一種具有豐富三維網絡結構的材料，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和超低的密度，成為下一代高溫吸波材料的理想選擇。然而，單一的陶瓷氣凝膠面臨著衰減性能低的挑戰(zhàn)。

為此，西安交通大學王紅潔教授團隊借鑒仿生龍蝦殼層狀結構對機械能量的衰減機制，以紙狀SiC和Si3N4氣凝膠為基本構筑單元，進行交替多層透波/吸波結構設計，構筑具有優(yōu)異室溫/高溫吸波性能和超低密度的復合氣凝膠：一方面利用透波材料降低材料與環(huán)境的阻抗，另一方面利用透波/吸波交替結構將電磁波限制在材料內部，并將其損耗，起到“關門打狗”的效果，最終獲得低介電、高損耗的高性能陶瓷氣凝膠吸波材料。此外，該材料還具有陶瓷氣凝膠的優(yōu)異隔熱性能。

文章作者

西安交通大學材料學院博士生蔡志新為論文第一作者，蘇磊助理教授和王紅潔教授為共同通訊作者。此外，西安交通大學材料學院本科生陶麗婷共同參與了此項工作。

論文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02906

4

西安交大一附院與基礎醫(yī)學院科研團隊

發(fā)現新冠病毒損傷血管的重要機制

發(fā)表期刊

《循環(huán)研究》（Circulation Research）

內容摘要

近日關于新冠肺炎疫情的研究及臨床報告證實，新冠病毒SARS-CoV-2不僅損傷肺泡上皮細胞引起呼吸衰竭，而且會侵害肺及多器官的血管內皮細胞，進而誘發(fā)炎癥風暴及大量血液凝結，最終導致多器官衰竭。但迄今為止，尚不清楚SARS-CoV-2進入并損傷血管內皮細胞的分子機制。

針對這一問題，西安交大一附院心內科袁祖貽教授團隊、基礎醫(yī)學院心血管研究中心王勝鵬團隊，與美國Salk生物研究所Uri Manor教授等團隊開展合作，首次發(fā)現SARS-CoV-2的S蛋白可以下調ACE2從而引起血管內皮細胞功能障礙。該研究利用新冠模式動物敘利亞金黃地鼠以及ACE2 S680磷酸化位點突變的轉基因小鼠ACE2-D和ACE2-L，通過體內和體外實驗證明S蛋白通過下調內皮細胞AMPK活性和降低ACE2的磷酸化，造成ACE2和eNOS活性的下降，這一過程伴隨著內皮細胞線粒體形態(tài)異常和功能的降低、糖代謝重編程，最終引發(fā)肺血管舒張功能的下降以及肺血管損傷。S蛋白抑制ACE2會降低病毒的感染性，但ACE2減少又會加劇內皮功能障礙，促進內皮炎癥。這一研究結果說明針對S蛋白的抗體不僅可以保護宿主免受SARS-CoV-2的感染，而且可以抑制S蛋白引起的內皮損傷，最終降低相關心血管并發(fā)癥的死亡率。由此，研究團隊首次提出了ACE2在新冠肺炎中的雙刃劍理論：ACE2既具有介導SARS-CoV-2入侵內皮的“壞作用”，同時又發(fā)揮保護血管內皮功能的“好作用”。

文章作者

西安交通大學第一附屬醫(yī)院為該論文第一作者單位，一附院心內科碩士研究生雷雨陽、博士后張嬌為共同第一作者，西安交大心血管研究中心、一附院袁祖貽教授、基礎醫(yī)學院王勝鵬教授，美國Salk生物研究所Uri Manor教授為共同通訊作者。

論文鏈接

https://www.ahajournals.org/doi/abs/10.1161/CIRCRESAHA.121.318902

5

西安交大科研人員

在單細胞核酸分析領域取得重要進展

發(fā)表期刊

《自然-通訊》（Nature Communications）

內容摘要

單細胞內生物大分子及其復合物在空間上存在復雜、多樣的組成關系。染色質作為重要的大分子復合物，以約10nm的核小體為基本單元，由核酸物質（DNA、RNA）與各種蛋白質組成，且存在大量DNA表觀修飾和組蛋白翻譯后修飾（Post-translational modification, PTM）。納米空間內（如半徑10nm范圍）復雜的染色質組成（定義為染色質納米環(huán)境），可能在細胞生命過程中扮演著多種角色，參與多路反應，發(fā)揮重要的調控作用。因此，探究染色質納米環(huán)境，對于理解染色質復雜組成、構象及調控機制等具有重要意義，但當前仍缺乏有效的識別檢測方法。

“一對多”細胞納米環(huán)境分析概念圖（a）

染色質納米環(huán)境檢測原理圖（b）

針對上述難題，西安交通大學生命學院生命分析化學與儀器研究所趙永席教授團隊以“一對多”染色質納米環(huán)境為分析對象，提出DNA鄰近循環(huán)識別機理，發(fā)展DNA步移索引擴增檢測方法，實現單細胞內一種組蛋白PTM周圍多種DNA表觀修飾的成像分析。該方法可檢出目標PTM位點約10nm半徑空間內各種DNA修飾的位點數目與亞細胞分布，即“一對多”染色質納米環(huán)境。通過探測多種組蛋白PTM的納米環(huán)境，揭示細胞周期過程中染色質納米環(huán)境的動態(tài)變化，實現了臨床肺癌患者細胞樣品中染色質納米環(huán)境的分析檢測。

該研究為探究染色質納米環(huán)境的復雜組成、生物功能及調控機制奠定了檢測方法學基礎。通過調控DNA探針的長度，可探測5nm到30nm半徑范圍的納米環(huán)境。此外，該方法具有很好的通用性，改變分子識別方式，還能拓展用于轉錄因子、膜蛋白等其他生物大分子的納米環(huán)境分析。

（a-b）單細胞染色質納米環(huán)境分析、PTM周圍多種DNA修飾檢測

（c）不同細胞周期樣品分析（d）臨床肺癌患者細胞樣品分析

文章作者

西安交通大學生物醫(yī)學信息工程教育部重點實驗室生命分析化學與儀器研究所為該論文的第一作者單位和通訊作者單位，陳鋒副教授與白敏博士為第一作者，趙永席教授為唯一通訊作者。

論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22284-z

趙永席教授研究團隊主頁鏈接

http://gr.xjtu.edu.cn/web/yxzhao

6

西安交大科研團隊

在燃料電池催化劑制備方面取得重要進展

發(fā)表期刊

ACS Nano

內容摘要

鉑（Pt）催化劑對于許多能量轉換技術至關重要，例如電解水反應和燃料電池相關反應。為了制備高效鉑催化劑，一種有效的方式是將Pt作為薄層沉積在納米級基底上，以增大其原子利用率。然而，常見的內核浸出現象導致Pt基核殼結構催化劑耐久性不理想，這一點極大程度地限制了它們的實際應用。為提高此類催化劑的結構穩(wěn)定性，傳統(tǒng)策略主要通過加厚Pt外殼來更好地穩(wěn)固內核，但這種方式在一定程度上犧牲了Pt催化劑的電化學活性表面積（ECSA）和質量活性，不利于成本效益。理想的Pt基核殼催化劑應在即使只含有單層Pt原子殼層時，依然能在循環(huán)催化中保持結構的完整性。要實現這種活性和穩(wěn)定性的兼容，關鍵在于提升內核材料本身的抗腐蝕性以及增強內核與鉑殼層間的界面作用，從而抑制內核原子和外殼鉑原子在電催化過程中的溶解和遷移。

針對上述問題，西安交通大學前沿院金明尚教授課題組通過通過使用非晶態(tài)磷化鈀（a-Pd-P）作為基底，開發(fā)出了一種殼層厚度和表面結構可控的無浸出、超穩(wěn)定的核-殼型Pt基電催化劑。所制備的Pd @ a-Pd-P @ Pt SML核-殼催化劑在酸性氧還原（ORR）測試中可表現出高達4.08 A / mg Pt和1.37 A / mg Pd + Pt的質量活性。同時，在經歷50,000次循環(huán)測試后，活性僅衰減~9%。密度泛函理論（DFT）計算表明，此類催化劑優(yōu)異的耐久性來源于非晶磷化鈀基底本身極強的耐腐蝕性以及Pt殼層與非晶Pd-P層之間的強Pt-P界面相互作用。

圖1. 不同催化劑ORR催化活性和穩(wěn)定性的比較

由于非晶與晶體之間巨大的結構失配，通過液相合成構建非晶-晶體型核-殼納米結構在傳統(tǒng)意義上顯得較為困難。在該工作中，Pt原子被成功地沉積在Pd@a-Pd-P立方體納米基底上，形成均勻的Pt（100）殼層。DFT計算和XPS測試表明，Pt殼層與a-Pd-P基底間存在極強的Pt-P界面作用，這成為克服非晶與晶體間結構失配的關鍵。同時，通過對還原動力學和前軀體用量的調控，還可精確調控Pt殼層的厚度在亞單層到9原子層范圍。通過界面間的相互作用突破晶格失配獲得新型核殼納米結構的方式為制備更加豐富多樣的核殼結構提供了新的思路。

圖2. 殼層厚度可調的Pd@a-Pd-P@PtnL納米立方體

在ORR測試中，Pd@a-Pd-P@Pt2L催化劑表現出了遠高于Pt/C和傳統(tǒng)Pd@Pt2L的質量活性，價帶XPS測試表明，來自于內核P原子的強配體效應降低了表層Pt的d帶中心，從而降低了Pt原子對含氧物種的吸附，提升其催化活性。更重要的是，Pd@a-Pd-P@Pt2L在循環(huán)測試中表現出了超高的耐久性，在50,000次循環(huán)之后，質量活性僅衰減7.3%，遠遠優(yōu)于Pt/C和Pd@Pt2L催化劑。

圖3. 不同催化劑ORR催化性能

對原子遷移能和空位形成能的計算表明，a-Pd-P非晶相的構建及Pt-P強相互界面作用的形成，極大程度地抑制了內核Pd原子的溶解和外殼Pt原子的遷移，從而保障了Pd@a-Pd-P@Pt2L在循環(huán)電催化中的結構穩(wěn)定。

為進一步驗證a-Pd-P基底的優(yōu)勢，研究人員將具有亞單層Pt原子殼的催化劑進行了電化學催化測試。結果表明，Pd@a-Pd-P@PtSML在酸性ORR和甲醇氧化（MOR）催化中均能表現出出色的催化穩(wěn)定性。此外，通過對內核材料的形貌和尺寸進行調控，還可控制Pt殼層的晶面和整個核-殼催化劑中貴金屬的用量，從而進一步優(yōu)化催化劑的質量活性。

圖4. 亞單層Pt殼催化劑的燃料電池催化性能

本工作制備了一類含非晶Pd-P夾層的Pt核-殼電催化劑。a-Pd-P夾層本身極高的耐腐蝕性和基底與Pt殼層間形成的Pt-P強界面作用，都有助于避免常規(guī)核-殼結構Pt催化劑面臨的結構不穩(wěn)定性?；谶@樣的優(yōu)勢，即使Pt殼薄至亞單層時，催化劑依然能在電催化中保持極高的耐久性，從而得到具有潛在實用價值的高性能燃料電池催化劑。這項工作擴展了非晶納米材料的應用，并為合理設計和合成Pt基電催化劑提供了新的見解。

文章作者

該論文第一單位為西安交通大學前沿院，第一作者為賀天歐、王偉聰，前沿院金明尚教授為唯一通訊作者。

論文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c00602

金明尚教授課題組主頁

http://gr.xjtu.edu.cn/web/jinm

7

西安交大科研人員

在太赫茲光照誘導的二維材料結構相變理論研究方面取得新進展

發(fā)表期刊

Advanced Science

內容摘要

近日，西安交通大學材料學院材料創(chuàng)新設計中心（CAID）周健教授與國內外專家合作，提出了太赫茲光照對材料熱力學性質影響的理論，給出了太赫茲光照下材料結構相變的公式。基于此，他們根據量子力學第一性原理計算研究了一系列二維材料的太赫茲光響應，討論了這些材料的幾何/拓撲相變過程。他們以α和β相的IV-VI族二維單層鐵彈/鐵電半導體為例，系統(tǒng)地計算了材料中聲子和電子對太赫茲光子的響應，給出了這些材料的鐵彈/鐵電結構相變方案。研究發(fā)現，在中等強度的太赫茲線偏振光的照射下，二維鐵彈/鐵電材料鐵性方向可以發(fā)生快速扭轉。同時，他們還推導了利用非接觸式的各向異性的電子能量損失譜公式和二次諧波來高精度檢測結構的方法（圖1）。相關工作以“Terahertz Driven Phase Transition in Two-Dimensional Multiferroics”為題發(fā)表在近期出版的 npj 2D Materials and Applications 上。

圖1 a. 太赫茲光照下鐵彈/鐵電相能量去簡并；

b. 各向異性的太赫茲光響應函數；

c. 各向異性二次諧波；d. 各向異性電子能量損失譜。

此外，他們還指出太赫茲光照可以實現快速、無損地實現過渡金屬二硫化物（TMDC）單層結構在H和T’之間的相變。由于TMDC材料的H和T’相具有完全不同的電子結構，尤其是T’相是目前唯一獲得理論和實驗公認的二維拓撲絕緣體材料，因而這種拓撲相變近年來引起了人們的廣泛興趣。通過計算TMDC的H和T’的用太赫茲光響應，他們預言了光頻率、強度、偏振方向對兩種相穩(wěn)定性的影響，提出了拓撲相變方案（圖2）。同時通過理論分析和分子動力學研究，指出這種方案具有產熱小、響應快、易調控等優(yōu)點。該工作發(fā)表于近期出版的 Advanced Science 上（https://doi.org/10.1002/advs.202003832）。這一理論預言與MIT的Pablo Jarillo-Herrero教授和Keith Nelson教授兩個課題組最新的聯合實驗觀測結果非常一致，從而證實了他們提出的太赫茲光照相變理論的可靠性和價值。

圖2 a. 太赫茲光照誘導MoTe2材料的拓撲相變；

b. 光照對材料吉布斯自由能和相穩(wěn)定性的調控；

c. 太赫茲光響應函數。

論文鏈接

https://doi.org/10.1002/advs.202003832

8

西安交大科研團隊

設計出一種基于撓曲電效應的光電探測器

發(fā)表期刊

Nano Letters

內容摘要

鐵電材料具有非中心對稱的晶體結構，由此產生的自發(fā)極化可實現力、熱、電、磁、光等一系列物理參量的耦合，進而產生豐富的功能效應。而在具有中心對稱晶體結構的電介質材料中，應變梯度的存在也會打破材料的中心對稱并產生極化，該現象稱之為撓曲電效應。撓曲電效應的這一特征為柔性功能器件的設計提供了更廣泛的材料選擇。例如，外加載荷會在梯形結構的材料中引起應變梯度，由此產生的撓曲電效應可以實現力-電之間的轉換，該效應可以媲美甚至超過壓電材料中的壓電效應。通過將材料設計成緞帶或懸臂梁結構，可以感知環(huán)境中產生的微弱振動，并從中獲取能量。

此外，由于撓曲電效應正比于材料中的應變梯度，因此隨著材料特征尺寸的減小和應變梯度的增加，該效應變得更為顯著。在納米尺度下，原子力尖端施加的載荷會在材料中引入很大的應變梯度，由此產生的撓曲電效應可以實現鐵電極化翻轉、帶電缺陷遷移、調控載流子輸運并產生光伏效應等。總之，撓曲電效應為納米尺度下柔性電子器件的設計提供了更多的可能。

最近，西安交通大學前沿院婁曉杰教授課題組設計了一種基于撓曲電效應的光電探測器。該光電器件具有金屬/氧化物/金屬結構，通過利用LaFeO3薄膜與LaAlO3襯底之間晶格失配的逐漸弛豫在LaFeO3薄膜中引入應變梯度，從而產生了顯著的撓曲電效應。撓曲電效應通過調控LaFeO3薄膜的能帶結構將光生載流子分離，產生的光生電流密度為0.3 mA/cm2，光生電壓為0.4 V。該光伏器件對外加光照能夠產生納秒級的時間響應，從而實現對外界光照的超快探測。

文章作者

西安交通大學為該論文的第一作者單位及通訊作者單位。西安交通大學電氣工程學院吳明博士后和青島大學姜植崢碩士生為論文共同第一作者，西安交通大學婁曉杰教授，青島大學溫崢教授和新加坡國立大學Stephen J Pennycook教授為論文通訊作者。參與本項工作的還包括香港理工大學張帆博士、Dai Jiyan教授，安徽大學宋東升教授，新加坡國立大學寧守琮博士后和西安交通大學郭夢瑤博士生。

論文鏈接

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00055

婁曉杰教授課題組主頁

http://gr.xjtu.edu.cn/web/xlou03

9

西安交大科研人員

在《細胞—干細胞》發(fā)表成像領域研究成果

發(fā)表期刊

細胞—干細胞

內容摘要

隨著成像技術的發(fā)展，活體組織成像在速度、時間、分辨率、視場以及深度上均有了長足的進步，并形成了大體、器官、組織、細胞等不同層次的成像技術，如MRI、CT、OCT、超聲、雙光子、Lightsheet、光聲、電鏡等。目前活體成像技術已經廣泛應用于包括胚胎發(fā)育、腫瘤、組織再生等多個領域，逐步成為生物醫(yī)學領域重要的研究方法之一。近年來，分子和組織標記技術的進步，使研究組織的異質性和可塑性成為可能，并取得了一系列重要進展。

西安交大二附院小兒外科黃強與杜克大學沈西凌教授合作，以“活體組織成像的時空進展”（The Frontier of Live Tissue Imaging across Space and Time）為題在《細胞—干細胞》（Cell Stem Cell）雜志綜述了活體成像領域的主要研究技術和最新進展，詳細介紹了各種成像方法的優(yōu)缺點、適用范圍，以及在全身各個器官系統(tǒng)、類器官等領域的應用，特別是在干細胞研究領域，同時介紹了不同的標記技術，為不同領域的研究者提供了技術選擇手冊。

文章作者

論文第一作者為西安交通大學二附院黃強，杜克大學博士生Aliesha Garrett、Shree Bose為共同第一作者，第二附屬醫(yī)院客座教授、杜克大學沈西凌教授為論文通訊作者。西安交大二附院小兒外科為該論文第一署名單位。

論文鏈接

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(21)00060-6