原标题：前沿|首次提出“铁电化学”！东南大学近期科研成果扫描！
来源:东南大学
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东南大学分子铁电科研团队首次提出“铁电化学”
近期，在“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助下，东南大学化学化工学院国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室在分子铁电领域取得重大进展。
该科研团队尝试从化学的角度来理解铁电性，经过不懈努力，将铁电体的发现从盲目的寻找转变为靶向的化学设计，并首次提出“铁电化学”的概念。
相关研究成果以“Molecular Design Principles for Ferroelectrics: Ferroelectrochemistry”（铁电体的分子设计原理：铁电化学）为题，以Perspective（展望）的形式发表于化学领域国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society（《美国化学会会志》）。
“铁电化学”概念的示意图,旨在通过一些唯象理论针对分子铁电体进行目标设计和性能优化。
铁电性
铁电性是指晶体在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向可在外电场作用下反向或重新取向的性质。1920年，Valasek教授在罗息盐（酒石酸钾钠）中发现了铁电性，开启了一个领域的纪元。之后，铁电体的研究主要集中于无机陶瓷领域。伴随着多种高性能铁电陶瓷的发现，铁电性在实验、理论和实际应用方面都得到了广泛的研究。但是，经过了一个世纪的发展，研究者们仍然没有真正地全面了解铁电性，对铁电体的寻找和探索一直缺乏可行的理论指导。回望百年，铁电领域亟待新的、颠覆性的理论与方法的出现。
恰逢铁电百年诞辰，东南大学化学化工学院熊仁根教授团队经过20多年的努力探索，从化学的角度出发，深入理解并结合居里对称性原理、诺埃曼原理以及朗道唯象理论，创造性地总结并提出了铁电体的分子设计原理——“准球形理论”、“同手性原理”与“H/F取代策略”。
具体而言，准球形理论，是针对晶体对称性降低的化学设计思想，即通过化学修饰或剪裁高对称性的阳离子，在分子水平上改变晶体的对称性和特定的相互作用，来实现铁电性的设计和调控。
揭示铁电性与同手性之间的联系也是分子铁电学发展的重要一步。手性分子的引入使材料更容易结晶在五个手性的极性点群中，大大增加了诱导铁电的可能性，并且手性分子的圆偏振光学特性也进一步扩展了分子铁电材料的潜在应用范围。
此外，H/F取代策略，与H/D同位素效应类似，即F原子的引入通常使得在极性基团保持不变的同时引起轻微的结构破坏，从而显著提高材料的居里温度和自发极化。F原子的引入也会使材料的疏水性和脂溶性等物理性能得到提高，有助于其在生物学及医学上的潜在应用。
基于上述分子设计原理并加以融会贯通，熊仁根教授团队系统地设计合成了各种类型的多功能铁电体，将铁电体的发现从沙里淘金般的尝试与摸索转变为合理的定向设计与合成，并初步建立起有效的理论体系来设计、控制和优化分子系统中的铁电性和压电性，提出“铁电化学”的概念，旨在从化学的角度来理解铁电性，为探索高性能分子铁电体提供有效的方法学指导。
“铁电化学”的诞生，将有望开创一个新的学科体系，推动铁电及相关领域的发展进入一个新的阶段，为材料、物理及化学界带来崭新的天地。
东南大学化学化工学院张含悦博士作为论文第一通讯作者在该研究工作中做出了突出的贡献，东南大学为第一通讯单位和完成单位。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07055
02
东南大学科研团队在Research上发表综述论文并组织专刊
近日，东南大学十大科学与技术问题之“二维材料的精准构筑”研究团队孙立涛教授和倪振华教授在国际化高水平综合性期刊Research上发表题为“Defect Engineering in 2D Materials: Precise Manipulation and Improved Functionalities”的综述并被选为“Nanofabrication of 1-2D Materials& Devices”专刊的封面论文。
论文回顾了近年来在二维材料缺陷工程领域的进展，介绍了如何利用电子束、等离子体和化学反应等一系列方法调控二维材料的性能并应用于各种电子及光电器件。同时利用高分辨电子显微镜，可以原位观察缺陷的形成、修复以及整体结构的变化，从而建立起缺陷和材料性能之间的桥梁。
在半导体材料中存在各种各样的缺陷，这些缺陷会极大程度地影响材料性能。缺陷工程，即通过改变材料中的缺陷来调控其性能，有望助力高性能半导体器件的发展。虽然近些年来在二维缺陷工程领域已经有了长足的发展，但还是有许多挑战亟待解决。
该文提出了主要的挑战和解决的思路，例如原子尺度的缺陷虽然可以通过透射电子显微镜（TEM）或者扫描隧道显微镜（STM）等手段直接观测，但将其与二维材料的宏观性能直接联系仍显不足。通过可控引入均匀分布的缺陷、研究缺陷辅助的超快载流子动力学过程都会有助于两者建立更好的联系，也将对高性能二维半导体器件的发展起到重要作用。
专刊由东南大学十大科学与技术问题“二维材料的精准构筑”团队的材料科学与工程学院陶立教授和美国得克萨斯大学大学奥斯汀Deji Akinewande教授担任嘉宾编辑，邀请到来自中国、美国、德国和意大利的国内外知名专家（其中院士及杰青5名，全球高被引专家6名）投稿，涵盖二维材料的制备、电子器件、传感器等当今的前沿研究热点。
Research由中国科学技术协会(CAST)与美国科学促进会(AAAS)于2018年共同创办，在Science平台上运作，为其1880年创刊以来的第一本合作期刊，是向世界展示中国科学技术发展成果、促进中外高水平科学家交流与合作的重要平台。东南大学信息科学与工程学院崔铁军院士和陶立教授担任该期刊的编委及副编辑。
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东南大学十大科学与技术问题“二维材料的精准构筑”团队近年来在Nature Nanotechnology, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Nano Letters, JACS, Nature Communications, Laser& Photonics Reviews等高水平期刊上发表了一系列重要成果。
03
东南大学崔铁军院士团队在人工表面等离激元系统方面取得重要进展
近日，东南大学崔铁军院士研究团队和西班牙马德里自治大学Francisco J. Garcia-Vidal教授合作，提出、设计并实现了一种基于人工表面等离激元超材料技术的亚波长间距双通道信号无线通信系统级解决方案。
利用该人工表面等离激元系统，可以高质量地实现亚波长间距双通道信号的非视距无线通信，解决了传统技术中亚波长间距信号抗干扰能力弱的难题，为高度集成化的密集非视距无线通信技术发展提出了全新的解决思路。
基于人工表面等离激元技术的亚波长间距信号
无线通信系统级解决方案
相关研究成果以A plasmonic route for the integrated wireless communication of subdiffraction-limited signals为题发表在Light: Science& Applications上。论文通信作者为东南大学崔铁军教授及西班牙马德里自治大学Francisco J. Garcia-Vidal教授，第一作者为东南大学张浩驰博士。
一直以来，分辨亚波长间距信号并进行高质量传输吸引着不同领域研究者的广泛关注，在光子学、超分辨率成像、密集通信等领域都发挥着重要作用。在传统技术的无线通信系统中，相距亚波长距离的双通道信号串扰现象十分严重，信号完整性受到了极大挑战。因此，如何实现亚波长间距信号的非视距、高质量传输是一个急需解决的难题。
自崔铁军院士课题组在微波频段提出可共形超薄人工表面等离激元超材料以来，相关研究一直成为学术领域的热点。该工作创造性地将人工表面等离激元超材料技术引入亚波长间距信号无线通信系统的构建中，充分挖掘超薄人工表面等离激元的优异物理特性（更强的场束缚能力、更低的不连续性损耗等）。
该团队首次设计研制了基于人工表面等离激元技术的亚波长间距双通道信号非视距无线通信系统，实现了两部4K高清晰度电影信号的非视距、无串扰、实时动态传输。同时，与同样条件下传统技术方案作了直观的性能对比。从传输结果可以看到，传统无线通信系统在传输亚波长间距双通道信号时串扰严重，画面失真；而该新型无线通信系统传输信号质量好，播放流畅，视觉效果上两部相距极近的电影信号几乎没有任何影响。
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人工表面等离激元无线通信系统与传统微带系统
的电影传输效果对比
该人工表面等离激元无线通信系统为亚波长间距多通道信号的非视距、实时传输提供了全新思路，未来有望在高密度集成通信、柔性系统及智能可穿戴设备等场景下发挥重要作用。
04
东南大学在燃料电池领域研究取得重大进展，相关成果发布于《科学》期刊
7月10日，国际著名期刊《Science》刊发论文《电场诱导异质界面金属态构建超质子传输》（Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure）。东南大学太阳能技术研究中心/储能联合研究中心首席科学家朱斌教授为该论文共同一作和主通讯作者，此项研究成果标志着东南大学在燃料电池领域相关研究取得了重大进展。
燃料电池是国家能源发展战略的一个重点领域。电解质是燃料电池的核心组成部分，其离子电导率的性能决定了燃料电池性能的优劣，目前制约燃料电池性能开发与应用的瓶颈是较低的离子电导率的电解质。
固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质的发展历经百年，至今没有可以替代其钇稳定二氧化锆(YSZ)氧离子传导电解质材料,其氧离子电导率在约1000°C才达到高性能SOFC电导率要求的0.1 S/cm。
为了解决这个挑战，诺奖获得者古迪纳夫在2000年Nature发文提出要设计氧离子导体，其方法是传统的结构离子掺杂方法，即通过低价阳离子取代高价阳离子，例如Y3+掺杂结构Zr4+，形成氧空位，进而产生氧离子电导率。但是，结构掺杂没有解决SOFC电解质的挑战，阻碍了燃料电池的商业化进程。
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朱斌教授等人采用完全不同于传统离子导体结构掺杂的方法，构建半导体材料的异质结构，通过利用半导体异质界面电子态/金属态特性把质子局域于异质界面，设计和构造具有最低迁移势垒的超质子高速通道；在燃料电池中，质子经电化学嵌入到异质材料界面，被带正电的氧化铈表面排斥到钴酸钠表面，但同时受到正电钠离子的排挤不能进入钴酸钠内部，因而局域于两者材料的界面空间，从而实现在最低势垒的层间连续快速迁移。
实验成功地验证了理论和计算结果，获得了极其优异的质子电导率（较传统钇稳定二氧化锆电解质材料的电导率提升了几个数量级），实现了先进质子陶瓷燃料电池示范（如图）。
半导体异质结构和场诱导加速离子迁移是一个全新的科学机制，在大量的研究基础上，正在形成一个新的学科和方法论：半导体离子学-研究半导体材料的离子输运规律和应用的新兴前沿学科（朱斌教授提出和带领的研究）。对其全面和深入的研究必然带来能源领域新的材料和技术的突破，具有普适的指导意义。
这项工作为科学设计优良质子传输材料提供了一个非常有效的策略，为质子限域传输和可控/可调提供了科学方法，大大加速商业化进程。该成果将促进新一代燃料电池研究和发展，对发展新能源技术具有重要科学意义和应用价值。该研究得到了国家自然科学基金委、东南大学高层次人才引进计划资助。
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论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184?utm_campaign=toc_sci-mag_2020-07-09&et_rid=99219654&et_cid=3401489
05
张袁健教授课题组在纳米酶分子活性中心调控研究中取得新进展
近日，东南大学化学化工学院、江苏省富碳材料器件工程实验室张袁健教授课题组（https://Zhang.team）在纳米酶分子活性中心调控方面取得重要进展，其研究成果以“Fe-N-C Nanozyme with Both Accelerated and Inhibited Biocatalytic Activities Capable of Accessing Drug-Drug Interaction”为题在化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）在线发表。
数万年的自然演化赋予了天然酶高活性、高底物选择性的精巧结构，然而其分离/纯化成本高昂，极端条件下易失活。为此，纳米酶作为一类既有纳米材料理化特性，又蕴含酶学催化功能的新一代人工模拟酶应运而生。
自2007年纳米氧化铁被首次发现具有类酶活性以来，越来越多的纳米酶被应用于生物传感、肿瘤治疗等重要领域。如同汽车的刹车和油门，如何模拟天然酶的抑制效应，发展纳米酶更高级的生物功能，与传统研究中提高纳米酶活性一样，意义重大。然而，由于常见纳米酶缺乏天然酶类似的分子活性中心，使得该项研究充满挑战。
针对这一问题，该课题组提出通过赋予纳米酶Fe-Nx活性分子中心的策略模拟天然酶更高级的生物功能，发现低温碳化的Fe-N-C呈现出极具竞争力的类P450酶催化反应活性，其Fe-Nx活性位点的含量和构型共同主导了类P450酶催化过程，并且与其常见的电化学催化过程中具有不同的电子传递途径。
鉴于P450酶参与了人体约50%的内源性及外源性药物代谢，并且多种药物同时服用可能会影响P450酶代谢，引起不良药物反应，甚至致亡，该研究进一步利用Fe-N-C模拟了P450酶对二氢吡啶降压药（1,4-DHP）的代谢。在常见抗菌药、抗生素或西柚汁的共同作用下，Fe-N-C表现出与P450酶类似的抑制行为，机理研究表明Fe-Nx活性中心对氧分子的活化及其与这些药物/食品不同的作用方式起到了关键作用。
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该研究为探索纳米酶更高级的生物功能提供了一个新思路，同时也揭示了Fe-N-C在一定程度上可替代昂贵的P450酶在药物代谢体外初筛、用药剂量指导等药物-药物相互作用研究中具有广阔的应用前景。
本文的第一作者是东南大学硕士生许嫄，张袁健教授为论文唯一通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委、江苏省双创团队、江苏省科技厅等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202003949
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东南大学沈艳飞教授课题组在电化学发光临床诊断方面取得重要进展
近日，东南大学医学院的沈艳飞教授课题组在电化学发光临床诊断方面取得重要进展，其研究成果以“Facile Preparation of WO3-x Dots with Remarkably Low Toxicity and Uncompromised Activity as Coreactants for Clinic Electrochemiluminescent Diagnosis”为题在化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）在线发表。
电化学发光（ECL）检测由于其灵敏度高、成本低、设备简单等优点而被广泛用于临床检验。三联吡啶钌（Ru(bpy)32+）及其衍生物是目前临床检验中最常用的ECL发光体。然而，作为目前Ru(bpy)32+发光体唯一的商业化共反应剂，三丙胺（TPrA）仍存在生物毒性高和背景信号强等问题。因此，探索性能更优异的ECL共反应剂，一直是电化学发光诊断领域的挑战。
针对以上问题，该课题组开发了一种氧化钨（WO3-x）纳米点新型绿色共反应剂，不仅动物毒性比TPrA低约300倍，与Ru(bpy)32+联用的ECL效率还可与TPrA标杆体系相媲美。基于此，该研究进一步构建了用于检测全血样本的循环肿瘤细胞传感器，克服了临床商业化细胞仪仅能分析血清样品的短板。
值得一提的是，在WO3-x纳米点合成方面，本工作提出以WS2粉末为前驱物，通过超声剥离和化学转化相结合的方法制备，克服了以往合成中反应前驱物不稳定、反应设备昂贵、合成过程复杂、产物电子传递性能不佳等问题，所制备的WO3-x纳米点具有无配体、水溶性好和氧缺陷易调控等优点。
该工作不仅将推动WO3-x纳米点在临床诊断中的应用，而且还为合成具有独特结构和优异性能的WO3-x纳米点开辟了一条新途径。东南大学博士生潘登、房正邹和杨二利为本文的共同第一作者，沈艳飞教授为论文唯一通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委、江苏省科技厅、中央高校研究经费等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202007451
