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经过数十年聚合物太阳能电池的快速发展，越来越多的研究者从追求更高功率转换效率（PCE）转向研究满足未来商业化加工条件的性能特性。本研究通过在PBTA-PS:ITIC体系中引入PM6，制备出高效的D1:D2:A非富勒烯三元聚合物太阳能电池（PSCs）。凭借互补的光吸收、结构相容性、更优化的面朝上取向、改善的形貌及调控的能级，三元电池实现了11.91%的提升效率，其短路电流密度（JSC）达18.58 mA cm−2，填充因子（FF）为67.70%，均优于二元体系。需特别指出的是，该三元器件展现出宽组分容限与器件稳定性，满足大规模商业化制备条件。经系统分析，三元器件中存在FRET通道与电荷转移通道两种耦合工作机制，共同促进能量转移与激子解离。因此，本研究展示了一种制备高效双给体三元电池的简易方法，其具备宽组分容限、更高稳定性及双重工作机制，将进一步推动聚合物太阳能电池的商业化进程。

侧链工程一直是调控有机光伏材料电子能级、分子间相互作用和聚集形态的有效策略，这对提升有机太阳能电池（OSCs）的能量转换效率（PCE）至关重要。本研究基于双噻吩基苯并二噻吩（BDTT）作为给体（D）单元、带有不同侧链的二氟喹喔啉（DFQ）作为受体（A）单元以及噻吩作为π桥，设计并合成了两种D-A共聚物PBQ5和PBQ6。在DFQ单元上带有两个烷基取代氟噻吩侧链的PBQ6，与在DFQ单元上带有两个烷基侧链的PBQ5相比，具有红移吸收、更强的分子间相互作用和更高的空穴迁移率。PBQ6给体与Y6受体共混薄膜表现出更高且平衡的空穴/电子迁移率、更少的载流子复合以及更优化的聚集形态。因此，基于PBQ6:Y6的OSC实现了高达17.62%的PCE和77.91%的高填充因子，显著高于基于PBQ5:Y6的OSC的PCE（15.55%）。17.62%的效率是目前聚合物给体与Y6受体二元OSC的最高效率之一。

新兴高性能有机光伏器件的核心在于体异质结结构，该结构通常同时存在结构无序和具有界面缺陷的双连续互穿晶界。这一特征使得对其工作机制的基础理解变得复杂。具有明确界面和可控层厚的高度有序晶体有机p-n异质结，对于理解有机异质结的本质特性具有重要价值。然而，此类晶体有机p-n异质结的直接生长仍面临巨大挑战。本研究提出一种基于单层分子晶体的p-n异质结设计原理。在有机场效应晶体管构型中，我们实现了与单组分单层分子晶体器件相当的平衡双极性电荷传输，证明了异质结界面的高质量特性。基于该p-n结的有机太阳能电池器件展现出栅压可调开路电压（最高达1.04 V），创造了有机单晶光伏领域的最高记录。

作为自然界最精巧的生物过程之一，生物硅化作用与多种形貌的生物二氧化硅密切相关，并为材料合成提供了丰富灵感。本研究为探索生物二氧化硅形成过程并制备用于锂离子电池（LIB）电极的精细微结构二氧化硅，采用M13噬菌体作为生物模板合成了多种形貌的二氧化硅：圆柱体、六棱柱、小圆柱组装体及纳米线。通过简易乙醇浴法在纳米线表面包覆氮掺杂碳层，首次将具有介孔通道的碳包覆二氧化硅纳米线（C@msSiO₂NWs）用作LIB负极材料。得益于均匀的碳包覆层与平行介孔通道结构，材料的电子电导率和体积变化缓冲能力显著提升。电化学性能测试表明，经750°C煅烧的复合材料（C@msSiO₂NWs-750）在500 mA g⁻¹电流密度下展现出653 mA h g⁻¹的优异容量和循环稳定性（1000次循环）。该电化学测试结果证明，通过仿生策略可轻松制备具有卓越应用潜力的精密结构材料。

摘要：塑料废弃物在水环境中的降解产生微米及纳米级塑料颗粒，这一问题日益受到关注。然而，传统分析技术或因空间分辨率不足，或缺乏必要的光谱手段，难以对单个塑料纳米粒子进行研究。而这两者对于理解宏观与微观塑料颗粒如何分解为纳米级粒子至关重要。本文证明，一种结合原子力显微镜（AFM）空间分辨率与红外（IR）光谱化学信息的混合分析技术可满足这些要求。我们以全球广泛使用的聚苯乙烯（PS）塑料纳米粒子为研究对象，证明可检测并定量尺寸低至20 nm的所谓纳米塑料，并讨论其理化特性。研究表明，在无光照的含盐水环境中，氧化降解与链断裂是形成和降解PS微米及纳米塑料的主要机制。

本期封面展示了聚苯乙烯纳米塑料及其通过光诱导力显微镜红外光谱的检测原理。该技术采用纳米级针尖作为探测器，突破了红外光的衍射极限。如图所示，盐水中聚苯乙烯纳米塑料表面发生氧化降解与链断裂现象，通过羰基和脂肪族官能团信号得以呈现。检测纳米级塑料颗粒对于理解塑料废弃物在环境中如何分解为更小颗粒至关重要。更多信息请参阅Iris C. ten Have等人撰写的通讯论文[https://doi.org/10.1002/cmtd.202100017]。

电子传输聚合物在各种光电器件应用中备受期待但仍较为稀缺。本文首次报道以噻吩和联噻吩为共聚单元的两种蒽二酰亚胺（ADI）聚合物作为全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的电子受体材料。通过掠入射X射线衍射和光致力显微镜技术，系统研究了两种聚合物薄膜及其与不同给体聚合物共混体系的结晶性、取向性对光伏性能的影响。研究发现分子结晶度与取向决定共混膜形貌，给体与受体聚合物具有相近的高结晶度及相同的面朝上取向时，有利于获得优异的光伏性能。依据该原则筛选出匹配ADI受体聚合物的给体材料，使全聚合物太阳能电池效率达到约7%。本工作证实ADI聚合物是具有前景的受体材料，并为全聚合物太阳能电池给受体组合的筛选提供了指导原则。

随着二次电池技术的发展，电极材料的界面特性已被确认为影响其电化学性能的关键因素。然而目前大多数研究集中于先进电极材料的合成，对其界面调控的关注仍显不足。正极电解质界面（CEI）的研究尚处于起步阶段，这可能对正极材料的容量贡献、稳定性和安全性构成潜在制约。事实上，天然形成的CEI通常在结构和组成稳定性方面存在缺陷，需要采取精细的优化策略。与此同时，深入理解CEI对于指导其组成、结构、生长机制和电化学性能的优化原则具有重要意义。本文综述了CEI表征方法与优化方案的最新进展，阐释了检测与改性之间的协同强化机制，并基于新型优化方向提出了CEI表征的标准体系与发展前景。

给体（D）与受体（A）材料的本征电子特性及其形态特征共同决定了有机太阳能电池（OSCs）的性能输出。本研究基于非富勒烯受体的D-A1-A2三元共混体系，利用紧密共晶混合产生的新物理特性，精细调控体异质结薄膜的形态结构与电子性质。通过增强薄膜结晶度和改善载流子传输，共晶纤维状层状结构的形成与缺陷态密度降低实现了显著的光电流放大（JSC提升）。材料层面，高度匹配的级联能级结构产生更大驱动力，结合被抑制的复合通道确保了高效电荷转移与传输，最终实现17.84%的功率转换效率（PCE）。这些结果表明：利用特定材料相互作用控制共混薄膜结晶习性，进而形成引导性能优化的理想形态结构，对推动OSCs向20%效率目标发展具有重大意义。

近年来，导电聚合物纳米结构领域取得了重大进展，其研究旨在调控材料本征特性，最终实现了在能源领域的广泛应用。本章详细总结了导电聚合物纳米结构表征技术的最新研究进展，重点聚焦显微技术、光谱学和电化学方法三大领域的表征手段——这些技术在光催化、分子传感等应用中展现出巨大潜力。通过对聚合物纳米结构及聚合物基杂化纳米材料的系统表征，为未来多相催化剂开发、太阳能捕获等技术的发展提供了重要的形成机制与光电子特性理论基础。

在受光照的针尖-样品结区，样品的光吸收伴随局部加热及材料后续热膨胀。在光诱导力显微镜（PiFM）实验中，热膨胀预计通过热调制范德瓦尔斯力影响所测光诱导力。中红外波段PiFM测量中此类热效应的证据已被证实（该波段主要激发为分子振动模式）。而对于可见/近红外（vis/NIR）波段的PiFM测量（其光-物质能量转移通过电子激发介导），热效应的明确实验证据仍较匮乏。通过开发频域版本PiFM技术，我们获取了亚微秒时间尺度上光诱导力的变化，从而直接记录了光激发后样品的热弛豫动力学。测量结果不仅证实了中红外波段PiFM信号中热效应的存在，更为vis/NIR光谱范围内PiFM所测力中热分量的作用提供了强有力实验证据。

固态柔性电致变色（EC）器件需要每个组件的精密设计以满足透明度、柔韧性和形变稳定性的严苛要求。然而柔性EC器件的电极技术发展停滞，脆性氧化铟锡（ITO）仍是主要材料。同时，活性层常用金属氧化物的刚性缺陷与液态电解质的泄漏问题进一步制约了EC器件的性能与寿命。本研究采用银-金核壳纳米线（Ag-Au NW）网络、EC聚合物以及LiBF₄/碳酸丙烯酯/聚甲基丙烯酸甲酯分别作为电极、活性层和固态电解质，成功研制出全新全无ITO柔性有机电致变色器件。由于金壳层的紧密封装作用，Ag-Au NW电极与共轭EC聚合物集成后在严苛环境中展现出卓越稳定性，在0.5 mA cm⁻²电流密度下实现3.0 mF cm⁻²的面积电容和23.2 F g⁻¹的比电容。该器件表现出优异的电致变色性能：可见光区（550 nm处40.2%）与近红外区（1600 nm处-68.2%）可实现可逆透光率调制，同时具备出色柔韧性（5毫米弯曲半径下＞1000次弯曲循环）和快速切换时间（5.9秒）。

手性物体与手性环境之间的相互作用是化学、材料物理、光学和生物科学等多个研究领域的基础课题。尤其值得注意的是，光与纳米结构之间的手性相互作用因其在化学分析、分子传感、新型光源及高自由度光学操控等方面的潜在应用而成为前沿研究热点。更进一步，相关研究将揭示光-物质相互作用的非传统基本原理——其中光与物质几何结构之间的纳米尺度空间关联起着至关重要的作用，这超越了基于光波长长波近似或物质系统偶极近似的传统光学响应理论框架。本章重点介绍光力效应中的两个主题，系统阐述光与纳米物质手性相互作用的最新理论研究进展。第一个主题是测量金属纳米结构附近手性近场圆二色性（CD）的创新方案：通过测量圆偏振光照射下作用于探针尖端的光力来实现对手性近场圆二色性的定量评估。第二个主题提出了利用手性光场（光学涡旋）与金属纳米复合物相互作用产生的光力，实现纳米尺度区域内纳米粒子旋转运动控制的新方法。这些研究成果揭示了光力在光与纳米物质手性相互作用研究中的独特作用。

通过三种不同单体成功合成共轭无规三元共聚物PJ-25、PJ-50与PJ-75。研究将氟取代苯并三唑（2F-BTA）作为第三单体单元，引入到4,8-双(4-氯噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT-T-Cl）与基于1,3-双(4-(2-乙基己基)噻吩-2-基)-5,7-双(2-烷基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮（BDD）的交替共聚物PM7体系中。无规三元共聚物在无卤溶剂中的溶解度随PM7中2F-BTA单元数量的增加而提升。将所得无规三元共聚物与3,9-双(2-亚甲基-((3-(1,1-二氰亚甲基)-6,7-二氟)-茚酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩（IT-4F）共混制备有机光伏（OPV）电池。在三种三元共聚物及两种相关二元共聚物（如PM7和J52-Cl）中，基于PJ-50:IT-4F共混体系的室外光伏（PV）电池（AM 1.5G标准光源）实现了11.34%的高能量转换效率（PCE）。此外，将PJ-50作为给体材料应用于室内光伏（IPV）电池，并与具有不同吸收范围的非富勒烯受体共混。其中，基于PJ-50:IT-4F的IPV器件在160 μW cm⁻²发光二极管（LED）光源下获得17.41%的最高PCE，其短路电流密度（Jsc）达54.75 μA cm⁻²，填充因子（FF）为0.77。本研究所开发的三元共聚物可视为采用环境友好型溶剂制备高性能室外与室内光伏电池的理想材料。

蛇纹石化作用可能为凝聚态碳质物质的非生物形成提供独特环境。这种现象不仅可支撑深部生物圈并参与深部碳循环，还可能为生命起源提供最初的结构单元。然而迄今发现的凝聚态碳质物质仅与蛇纹岩次要矿物组分伴生。本研究首次揭示了碳质物质与蛇纹岩主要铁氧化物——磁铁矿之间的直接关联。样品通过载人深潜器从西太平洋雅浦海沟海平面下6413米处获取，碳质物质不仅与某些微米级磁铁矿颗粒共生，更显著与蛇纹岩纳米孔隙内的纳米级铁氧化物密切伴生。振动光谱分析表明该凝聚态碳质物质同时包含脂肪族与芳香族化合物，但未发现典型生物有机物的官能团证据。基于这些发现，我们认为蛇纹岩纳米孔隙中的物理化学现象与纳米级催化活性矿物可能在复杂碳质物质的非生物合成过程中起关键作用。

环境中微米级与纳米级塑料颗粒来源于直接排放及较大塑料碎片的降解。相较于宏观尺寸塑料，这些微小颗粒因对海洋、淡水及陆地生态系统的潜在影响而受到特别关注。尽管微塑料（MP）污染已在全球多个地理区域得到广泛研究，但其来源仍存在诸多未解之谜。学界普遍认为城市环境是主要贡献源，但缺乏系统性研究。由于缺乏表征和量化环境与生物基质中MPs及更小颗粒的标准方法，阻碍了在其地理起源、来源解析、分布规律及影响机制方面的研究进展。因此，需要开发并标准化相关分析方法以确定其潜在的环境与人类健康风险。本研究探索了稳定碳同位素比率质谱（IRMS）、衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和显微拉曼光谱（μ-Raman）作为互补技术对常见塑料进行表征的方法。筛选食品包装、容器、吸管和聚合物颗粒等塑料制品进行对比分析，并通过紫外线（UV）和加热模拟老化条件研究IRMS区分风化样品的能力。IRMS结果表明植物源与石油基聚合物的δ13C值存在差异，同时发现相同聚合物但不同产地的塑料制品之间以及部分回收与非回收塑料之间存在区分特征。此外，紫外线照射后观察到δ13C值升高的现象。本文最后讨论了三种技术的联用结果及其各自优势与局限性。

峰值力红外（PFIR）显微镜是一种新兴的原子力显微镜技术，可突破阿贝衍射极限实现化学纳米成像与光谱分析。该技术通过峰值力轻敲模式中动态针尖-样品接触的机械检测来探测红外光热响应，已广泛应用于大气环境下的软物质、光伏异质结乃至极化激元材料等多种样品。本文开发并展示了液相环境下针对软物质与生物样品的PFIR显微镜技术。凭借可按需调控液体组分的能力，液相峰值力红外（LiPFIR）显微镜能够原位追踪聚合物在流体中的表面重组过程，并检测水相点击化学反应的产物。在液相环境中实现了空间分辨率约10 nm的宽谱光谱分析与红外成像，同时获得互补的力学信息。我们还通过LiPFIR显微镜揭示了水环境中酵母细胞壁颗粒出芽位点的化学成分，展示了其在生物结构研究中的应用潜力。LiPFIR显微镜无需标记、无损的化学纳米成像与光谱分析能力，将极大促进软物质及其在固液界面转化过程的研究。

光诱导力显微镜（PiFM）是一种前沿技术，它结合了原子力显微镜与红外光谱学的优势，可在纳米尺度下以高空间分辨率（约5 nm）和高光谱分辨率（约1 cm⁻¹）同步获取三维形貌数据与分子化学信息。这种非破坏性技术具有时间高效性——仅需常规镜面抛光处理，且成像速度快（仅需数分钟），可通过时间序列研究动态过程。本文综述了该技术的发展历程、工作原理、数据采集与分析方法，并与传统地球化学方法进行对比。我们系统评述了PiFM在材料科学、化学及生物学领域的研究进展，并首次提供地球化学样品中的应用案例，包括锆石微弱生长环带可视化、高压实验样品中流体赋存形态鉴定，以及生物矿物中纳米级有机相的识别。我们证明PiFM分析是一种兼具时间与成本效益的技术，它将高分辨率表面成像与纳米级分子化学信息相结合，从而补充并拓展了传统地球化学分析方法。

基于石墨烯的材料（GBMs）在组织工程中的应用正呈指数级增长，这源于石墨烯似乎具有无限的多功能性和可调控的物理化学性质，这些性质可被用于影响细胞行为。尽管已有许多研究展示了在不同GBMs上调控细胞生理状态的现象，但将GBMs的不同物理化学特性与细胞命运联系起来的清晰机制始终难以阐明。本研究中，我们通过一项多尺度研究揭示了不同GBMs如何影响细胞命运——从血清蛋白（纤连蛋白）的吸附及其分子尺度的形态、结构和生物活性，直至干细胞响应。通过热还原法在不改变物理性质的前提下对氧化石墨烯进行化学还原，我们发现石墨烯的化学性质控制着表面吸附分子的构象与形态、表位呈现以及干细胞贴附。更重要的是，这种蛋白质结构的细微变化会驱动干细胞向成骨分化增强，表明石墨烯的物理化学特性通过直接影响吸附蛋白的结构及后续生化活动来调控细胞命运。

尽管技术不断进步，纳米尺度气固界面探测仍是巨大挑战。需要开发新型纳米光谱方法以理解功能材料在气体吸附、分离与转化过程中的主-客体相互作用。本文引入原位光诱导力显微镜（PiFM）技术，证实金属-有机框架材料（MOFs）与水分子之间的位点特异性相互作用。为此，我们开发了两亲性表面锚定MOF（SURMOF）模型体系：通过自组装实现亲水性HKUST-1与疏水性ZIF-8纳米域的并排异质生长。采用PiFM探测局部吸附动力学，并获得氘代水在（缺陷型）HKUST-1桨轮结构上的吸附等温线。通过监测缺陷振动，实时观察到已有缺陷的饱和过程与氘代水诱导新缺陷的产生。本工作证明了原位PiFM技术在解析气体吸附机制与绘制功能化MOF材料活性位点分布方面的潜力。