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单原子最新娱乐体验_单原子纳米酶(2024年11月深度解析)

内容来源：麦吉窗影视所属栏目：话题更新日期：2024-11-28

单原子

李亚栋教授发表「获奖感言」「2024未来科学大奖颁奖典礼」在获奖感言中，李亚栋教授在获奖感言中回顾了自己从调皮少年到大学教授的成长历程，感谢教育和帮助过他的老师、养育他的父母以及支持他的家人，并感恩所处的伟大时代。「张涛、」李亚栋因对“单原子催化”的发展和应用所作出的开创性贡献，荣获「2024未来科学大奖」-「物质科学奖」。「科学」「科学家」「未来科学大奖」「颁奖典礼」未来论坛FutureForum的微博视频

化学小知识大揭秘：原子、分子与元素 𐟌Ÿ【相对原子质量】揭秘！原子有多重？原来，国际上有个秘密武器——一种特殊碳原子质量的1/12作为标尺。其他原子与它一比，就知道自己的相对重量啦！记住，电子超轻，原子质量几乎全集中在原子核上。更神奇的是，质子数加中子数，就是原子的“体重”哦！ 𐟌ˆ【微观世界三巨头】分子、原子、离子，谁是化学界的超级明星？分子，化学变化中的守护神，保持物质化学性质的最小单元；原子，电性中立的小高手，构成万物的基础；离子，带电的原子或原子团，化学反应中的活跃分子。它们虽小，却拥有粒子的共性：微小、运动不息、间隔奥秘。 𐟔【元素家族】元素，是质子数相同的原子大家族。金属、非金属、稀有气体，三大家族各具特色。地壳中氧硅铝铁排排坐，生物体内氧碳氢氮不可缺，空气中氮气最多见。元素符号，宏观表种类，微观指单原子，化学世界的小小密语。快来探索这奇妙的化学世界，让知识之光照亮你的思维之旅！

单原子纳米酶：精准抗膜新法 𐟔젧”Ÿ物膜的复杂性和动态微环境使得细菌感染的治疗变得尤为困难。近年来，纳米酶催化疗法在生物膜感染治疗中展现出巨大潜力。然而，目前缺乏能够精准针对生物膜微环境的活性纳米酶。 𐟒ᠩ’ˆ对这一问题，本研究提出了一种时空引导的单原子生物纳米酶（BioSAzyme），其核心是基于铜单原子纳米酶（Cu SAzyme）的蛋白质工程。Cu SAzyme通过一种新颖的机械化学辅助方法合成，具有高度可及的Cu-N4活性位点，根据实验结果和密度泛函理论计算，表现出优异的三重酶样活性。 𐟌𑠂ioSAzyme继承了葡萄糖氧化酶和伴刀豆球蛋白A的生物功能，能够定位生物膜糖萼，并将内源性葡萄糖催化成H2O2和葡萄糖酸，从而触发具有pH自适应的多重级联反应。这一过程消耗葡萄糖和谷胱甘肽，并产生•OH自由基。 𐟔젨🙧獦—𖧩𚥼•导的生物纳米催化剂在体外和体内实验中，均能有效抑制大肠杆菌O157：H7和耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌生物膜。 𐟓ˆ 综上所述，这项研究为单原子纳米酶的合理设计提供了新的思路，为精确抗生物膜治疗开辟了新的途径。

#几米视界# 昆明理工大学化学工程学院与香港科技大学的合作团队开发了一种非贵金属的单原子催化剂，显著提高了燃料电池中氧还原反应的效率，这标志着在燃料电池催化剂领域获得了重要进展。该成果已发表在国际期刊《德国应用化学》上。

基于石墨烯的光学传感器在多个领域得到了广泛的应用。二维材料是伴随着 2004 年曼切斯特大学 Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料一-单层石墨烯(graphene)而提出的。在成功得到单层石墨烯(二维)之后,它和金刚石(三维)、石墨(三维)、碳纳米管 (一维) 和富勒烯(零维)就组成了一个完整的碳材料“家族”，与这些成员相比，单层石墨烯的一些性能指标如光学、电学等均与之相当甚至更好。从理论上说，单层石墨烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元，不同形状的单层石墨烯薄片可以构成不同的碳材料21。如图所示。单层石墨烯从理论上的预言到实验上的成功制备,经历了近 60 年的时间。传统理论认为,单层石墨烯不会在现实中存在。从结果来看，理论方面显然是错误的，之所以出现这种与理论相悖的结果是因为单层石墨烯层片并非一个完美平面，故其通过在表面形成褶皱或吸附其他分子来维持自身的稳定性。但从在实验室成功用胶带剥离出单层石墨烯之后，不仅理论方面得到了完善，其制备方法也取得了很大的进步。在下面我们简单介绍了制备单层石墨烯常用的几种方法以及其优缺点。完美石墨烯由于具有优异的性质而被誉为 21 世纪最具颠覆性的“新材料之王”，并在高频晶体管、机械谐振器、透明导体、自旋电子学、传感器和药物输送方面显示出巨大的应用潜力。单层石墨烯具有特殊的能带结构，即锥形的价带与导带完全对称分布在费米能级的上下，致使导带和价带仅有一个交叉点(此交叉点也被称为狄拉克点)，如图 1.2 所示。从分子结构来看，每个 C-C 键都有一个成键轨道与反键轨道，并且以 C-C 键为平面完全对称，而且整个单层石墨烯分子结构中的每个a键互相共钜形成了一个大r键，电子或空穴将会有一个很高的电子费米速率(106m/s)。正是由于这些，在电学特性方面，单层石墨烯的载流子的传输能力很强。在室温下，单层石墨烯薄膜电子迁移率高达 200000 cm2/(Vⷳ)，其相对应的电阻率为 10-6𗣭，比一些导电性很强的金属如铜、银还要低。除了超高的迁移率和超低的电阻率之外，单层石墨烯还有其他的一些突出的电子性质，如量子霍尔效应、自选传输性质等。在热学特性方面，其主要取决于单层石墨烯的声子传输。室温下导热率高达 5300 W/mk，是纯铜导热率(400 W/mⷫ)的 10 多倍。除了上述所提到的这些特性，单层石墨烯的光学性能也格外突出。同电子特性类似，单层石墨烯的光学特性也与二维、单原子厚的蜂窝状碳晶格密切相关。正因如此独特的电子能带结构，原则上单层石墨烯对白光的吸收值为𑨲.3%)，即透过率高达 97.7%，几乎完全透明，反射率可以忽略不计 (<0.1%，10 层石墨烯约为 2%)，而且石墨烯的光吸收率随着石墨烯层数的增加而线性增加。由于石墨烯强大的宽带吸收，在全内反射下对横向电模式(Transverse Electric,TE)和横向磁模式(Transverse Magnetic,TM)表现出不同的反射率，理论研究表明，在全内反射情况下，单层、双层和少层石墨烯对光的 TE 模式的吸收多于 TM 模式。在磁场的作用下，单层石墨烯的电子和空穴会分离。随着磁场强度的增加光吸收的振幅会增加，并出现蓝移。根据单层石墨烯的精细结构常数，再结合保利阻塞原理，可知单层石墨烯的光吸收可以通过调整费米面的位置来调节。从能带转换来看，光和单层石墨烯之间的相互作用主要有两种类型，带间跃迁和带内跃迁。在紫外区，带间跃迁接近鞍点，此时的光吸收超过了普遍的吸收值，具有激子效应。在远红外和太赫兹光谱区，电子响应主要是带内跃迁，在这个波段的电子响应类似于金属中的自由电子响应，可以激发表面等离子体激元。在近红外和可见光波段，光反应主要是带间跃迁。单层石墨烯的另一个有趣的光学方面是胶体石墨烯量子点。这种量子点可以发蓝光或绿光，并在体外异质结光伏电池中充当良好的电荷载体分离器。石墨烯可以结合光纤反射原理或光纤于涉原理作为荧光材料。除了这些光学特性,还有许多其他光学现象如磁光效应、电磁感应透明和光束偏移等。石墨烯的光学特性为构建基于石墨烯的光学器件奠定了基础，基于石墨烯的光学传感器也陆续被开发出来。目前，基于石墨烯的光学传感器主要包括 SPR 传感器、石墨烯光纤 SPR 传感器和石墨烯空间光传感器。其中，应用最广泛的光学传感器是基于 SPR 的传感器，其灵敏度高，无标记，能够实时响应。对于光学传感器来说，单层石墨烯还可以应用于生物传感器中。基于石墨烯的光学生物传感器可用于单细胞检测、细胞系和抗癌药物检测、蛋白质和抗原-抗体检测等。同样地，SPR 型的生物传感器的功能特点也非常突出，具有实时监测、检测方便快捷、灵敏度高、分析数据质量高、跟踪监测配体稳定性、保证反应平衡和应用广泛等特点。

石墨烯有很多同素异形体。理想状态下的石墨烯结构简单规整，仅具有单原子层厚度。然而在合成与应用的过程中会几乎不可避免地由于缺陷的存在而使得其结构、厚度、性质发生一定的变化。石墨烯缺陷可以按照是否仅含有碳原子而划分为本征缺陷和外引入缺陷，后者也可以称为不纯缺陷。其中，本征缺陷主要包含晶界、碳碳共价键的旋转和缺失。使用气相沉积法制备石墨烯时，往往会在基底上生长大量结构相同而取向不同的石墨烯晶粒，并且当这些晶粒相遇时就会在接触界面处产生非周期性的含有多元碳环的线性缺陷，即为晶界，如图 1.8 所示。同时，晶界的存在会一定程度上地影响石墨烯的力学、电学和热学等性质，甚至可能改变其厚度，从而呈现褶皱形貌。在合成与应用石墨烯的过程中，往往还会发生碳碳共价键的旋转和缺失，从而产生局部的 Stone-Wales (SW) 缺陷和空位，进而获得周期性的缺陷结构和含有多元碳环的石墨烯同素异形体，如图 1.9 所示。虽然由于缺陷结构具有随机性和不可控性，导致周期性缺陷和同素异形体的合成异常困难，但是五元、七元等曲率元环的引入会影响石墨烯的厚度、形貌，以及力学、光学、电学、化学等性质，具有极为重要的研究价值，如图 1.10 所示。智皱石墨烯，石墨烯是一类特殊的同时满足所有相连的碳原子均为 sp2杂化方式和完全由正六边形的碳环密排形成的 2D 碳纳米材料。而当存在 sp 和 sp3杂化方式的碳原子或非六元环时，就可以获得一系列的石墨烯同素异形体，如图 1.11 所示。值得注意的是，尽管图1.11 中的部分结构含有非六元环，但是曲率元环的存在并不能直接断定该结构是否具有褶皱形貌。由于存在 sp3杂化方式或正、负曲率的影响恰好相互抵消，图 1.11 中的所有结构均具有单原子层厚度。显然，也并非所有石墨烯同素异形体都绝对平整。通过对已报道的 100 余种常见 2D 碳纳米材料进行总结与分析，可以找出 35 种具有明显面外原子厚度的石墨烯同素异形体，其中大部分具有褶皱形貌，如表 1.1 所示。由表 1.1 可知，当非六元碳环被六元碳环所环绕时，往往会由于空间位阻的影响从而产生褶皱形貌，而基于 sp3杂化和类双层结构也同样可以构建具有明显面外原子厚度的单层褶皱石墨烯同素异形体，并且其结构与厚度还均具有显著的差异。蛋托型石墨烯，由于厚度、结构等因素能够很大程度上地影响石墨烯及其同素异形体的性质，并目还由于在合成石墨烯的过程中存在很强的随机性和不可控性。因此利用模拟计算软件进行分析、预测褶皱石墨烯的厚度和结构等因素对其力学、电学、光学等性质的影响非常重要，而蛋托型石墨烯恰好就是一种非常典型、理想的褶皱石墨烯模型。蛋托型石墨烯中的所有碳原子均为 sp2 杂化，且仅利用曲率元环产生褶皱形貌，以分别被六元碳环所环绕的五元和七元碳环为基础，将外围的六元碳环进行堆叠、嵌入和重叠等操作。并且使用单独的六元碳环填充间隙，从而实现调整五元和七元碳环的相对位置，并密铺成一系列的 2D 褶皱状结构，如图 1.12 所示。由图 1.12 可知，蛋托型石墨烯中的五元和七元碳环均被一层六元碳环所环绕，避免了曲率碳环间的直接接触。同时,五元碳环分别位于蛋托型石墨烯厚度方向上的顶端(标记为绿色) 和底端(标记为黄色)，并且其间距决定该蛋托型石墨烯的厚度。而当七元碳环被 7个六元碳环所环绕时，则会形成一个在某个方向下凹而在另一个垂直方向上凸的特殊结构，从而可以充当两个同为顶端或者底端的相邻五元碳环的连接鞍点，且在数量上等于五元碳环，从而可以在保留局部曲率的同时保证整体曲率为零，形成褶皱形貌。其中具有四方晶系晶格和高对称性的t1和t2基本构型的原胞内原子数较小、结构相似且稳定、易于通过添加石墨烯纳米带的方式构建结构相似、厚度不同的衍生构型和进行弯管操作，可以以此探究厚度和结构等因素对褶皱石墨烯力学、电学、光学等性质的影响。

新型单原子催化剂配位结构促进高性能析氧反应（OER）推文链接：网页链接图1：Ir1/(Co,Fe)-OH/MI样品的形貌表征。图2：Ir1/(Co,Fe)-OH/MI和Ir1/(Co,Fe)-OH样品的结构表征。图3：OER的电化学性能。图4：DFT计算。图5：整体水分解性能。图6：制备方法的普适性推广。

【斩获国际金奖，彰显中国力量！亿孚摘得德国纽伦堡发明展金奖】2024年第76届德国纽伦堡发明展顺利落下帷幕，浙江亿孚氢能装备有限公司凭借“负载过渡金属单原子的碳泡沫自支撑电极的喷墨打印制备方法”，从全球500多个发明项目中脱颖而出，斩获金奖。网页链接

《福大林森联合大化所林坚，最新Angew！》对于单原子催化剂，靠近金属位点的掺杂剂对其催化性能有显著影响。然而，远离金属中心的掺杂剂的影响及其作用机理仍需进一步阐明。网页链接

推进人类发展的催化剂技术获得突破！李亚栋教授团队研究的单原子催化技术，如果实现跨学科融合，将随心所欲制造物质，突破“卡脖子”问题！出品：科普中国-创作培育计划网页链接

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