从脑机接口的高精度交互到神经解码的前沿探索，人类对大脑信号的解读与干预正不断迈向更深层次。神经系统依赖动作电位编码并传递感觉、运动及认知信息，传统调控方法主要集中于分子层面的离子通道修饰、药理学干预，或依赖电刺激、光遗传学等外部手段。然而，作为神经信号传递的“物理载体”，细胞膜本身的结构与电学特性如何直接影响神经编码，尚未得到系统性揭示与利用。在当前脑机接口与神经调控技术面临信号特异性、稳定性及长期生物相容性等多重挑战的背景下，探索细胞膜结构的可编辑性，成为突破现有干预模式的重要方向。

自然界中，髓鞘通过多层高度有序的绝缘层显著提升神经传导效率，这为研究人员带来重要启示：能否为神经元构建一类“智能材料界面”，通过直接调控细胞膜的拓扑结构，实现神经信号编码规则的“物理重塑”？

近日，复旦大学智能材料与未来能源创新学院/聚合物分子工程全国重点实验室步文博教授、刘艳颜青年研究员与宁波东方理工大学金大勇院士、海军军医大学附属长征医院许国华教授等团队合作，突破传统思路，创新性地提出“细胞膜界面拓扑工程”新策略，成功实现对神经信号的“物理重编码”。

研究成果以“Topology of the Cell Membrane Interface for the Physical Re-Encoding of Neural Signals”为题，发表于J. Am. Chem. Soc.。

研究人员巧妙设计了Au@PDA纳米棒作为“膜结构编辑工具”，该类材料以高导电性的金纳米棒为内核，表面包覆具有强生物黏附性的聚多巴胺涂层；该特殊结构可利用化学键紧密贴合在神经元膜表面，形成稳定的拓扑复合界面，并诱导神经元发生与可塑性相关的适应性调整，从物理层面持续降低神经元的兴奋性（图1）。

图1. Au@PDA与神经元之间的拓扑膜界面实现神经信号物理重编码

机制研究表明，Au@PDA在神经元表面附着形成拓扑界面后，相当于在神经元电路中“嵌入”耦合电容和串联电阻，显著改变膜的电学特性。研究人员将这一物理效应整合至经典神经电生理模型，从理论层面构建出“膜结构-信号编码”的物理调控新范式（图2）。

图2. 膜周电路形成机制示意图

在动物模型中，该技术展现出显著的治疗潜力。在坐骨神经损伤模型中，通过降低神经元传递敏感性，有效逆转了疼痛敏化；在脊髓损伤模型中，则通过减轻兴奋性毒性，促进了神经功能的恢复（图3）。

图3. Au@PDA干预两类神经兴奋性异常模型的效果评估

这项创新工作不仅验证了通过拓扑界面工程直接“物理重编码”神经信号的可行性，更提供了神经调控策略从 “离子通道靶向” 迈向 “膜结构工程” 拓展的新维度，为发展新一代神经调控工具、高性能脑机接口及神经疾病治疗技术开辟了全新的物理干预路径。

复旦大学智能材料与未来能源创新学院博士生陈飞翔、博士后陈剑和海军军医大学附属长征医院博士生肖冰为论文共同第一作者；步文博教授、金大勇院士、刘艳颜青年研究员和许国华教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金重大项目、重点项目及上海市教委创新重大基础项目等支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c17879

图2. SEI的固态核磁特征氟谱

 团队通过固态NMR技术对Cu||LiFePO₄电池负极的SEI进行表征，首次发现传统意义上归属于LiF*的信号由两个亚峰组成：F₁（-195 ppm）和F₂（-203 ppm）。其中F₂与纯LiF化学位移一致，而F₁此前未见报道，意味着SEI中存在不同于纯LiF的化学环境。

图3.对Li-H-F元素之间的关联性分析以及LiHxF1-x物质的表征参照

 为揭示F₁信号的本征特性，团队结合⁶Li同位素标记NMR和¹H-¹⁹F相关固态核磁谱分析：⁶Li-¹⁹F异核相关（HETCOR）核磁结果显示，F₁与0.1 ppm的Li核相关（接近LiH的0.2 ppm），而F₂与0.9 ppm的Li核相关（接近LiF的1.0 ppm）；¹H-¹⁹F HETCOR进一步证实F₁与4.0 ppm的H核（接近LiH的3.5 ppm）存在空间关联。使用同步辐射X射线衍射（SR-XRD）、冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术交叉证明了SEI中存在LiH-LiF固溶相。

 理论计算与电化学结果表明，LiH-LiF固溶相的锂离子扩散能垒显著低于纯LiF，利于锂离子的快速传输。使用LiH-LiF固溶相涂层的锂金属对称电池在10 mA cm²下的沉积电位仅为纯LiF涂层的50 %，循环寿命延长10倍以上。

 该研究工作得到了复旦大学智能材料与未来能源创新学院和国家自然科学基金等项目的大力支持。同时，成果的取得是多团队、多学科交叉融合开出的璀璨之花，也是复旦大学本研融通人才培养模式和智能材料与未来能源创新学院新工科拔尖创新人才培养体系结出的丰硕之果。学院高尚鹏教授在EELS（能量损失谱）分析方面提供了重要支持；本研究共同第一作者李舒扬是学院2025届博士毕业生，参与者陈禹凡是2023级硕士研究生，两人均自本科阶段便扎根实验室，依托复旦大学“曦源计划（18415; 21554）”，在孙大林教授与宋云教授的联合指导下开展系统性科研探索。从“曦源”计划到学术前沿，这既是复旦学子的成长之路，也是学校探索教育教学改革3.0、构建自主培养体系的生动实践。

在可持续能源储存技术的探索中，钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉而被认为是锂离子电池的有力替代者。然而，现有钠离子电池普遍面临能量密度低和硬碳负极成本高的问题，导致其单位能量成本仍高于锂离子电池，限制了其大规模应用前景。无负极钠电池被认为是一种提升能量密度、降低成本的理想方案，但其长期稳定性受限于钠在循环过程中不均匀的成核与沉积行为，易导致枝晶生长、“死钠”堆积以及钠的不可逆损耗。尽管已有研究尝试通过电解液优化和界面调控来缓解上述问题，但多数策略并未从成核源头出发系统性调控钠沉积行为，更缺乏对集流体与电解液界面之间相互作用机制的深入理解。因此，开发一种能在原位调控钠成核与剥离行为的界面工程策略，是实现高能量密度、长寿命、低成本无负极钠电池的关键所在。

近日，复旦大学智能材料与未来能源创新学院王飞教授等人提出了一种集流体界面工程策略，通过构建低介电常数、强钠亲和性以及弱钠–钠相互作用的界面层，有效调控钠的成核、沉积与剥离行为，成功构建出了少副反应、高能量密度和长寿命的少负极钠电池。研究中，作者系统评估了不同界面层材料的物理化学性质对钠沉积行为的影响，并量化分析了不可逆钠损耗机制。基于最优设计的硬碳基界面层，构建的Ah级软包电池实现了203 Wh/kg的高能量密度和长循环寿命，展示出极高的工程化应用潜力。该研究明确提出“钠的生长受控于界面本质”的核心观点，为发展高性能无负极钠电池提供了新的设计思路与理论依据。该文章发表在国际顶级期刊Nature Sustainability上。Jiafeng Ruan和Jiaming Hu为本文第一作者。

首先，实验与模拟系统揭示了集流体界面性质对钠形核、沉积和剥离行为的关键影响。研究发现，高介电常数界面导致钠形核和沉积不均匀，形成“岛状”结构并伴随钠簇脱落，造成较差的CE；而低介电常数修饰层则有助于均匀成核与致密沉积，并实现高效可逆剥离。理论模拟进一步表明，低介电常数界面可优化界面电荷分布，稳定Na–Na与基底–Na相互作用，从而促进Na⁺的均匀剥离。此外，通过引入静置对比法，量化了副反应导致的容量损失，指出电流密度与修饰层结构对Na形貌及副反应程度具有协同调控作用。相比其他碳基材料，HC修饰层诱导钠致密沉积，有效降低了沉积钠与电解液的接触面积，减少了副反应。因此，系统强调了界面的介电特性在调控钠成核、沉积与剥离中的作用，为设计高性能无负极钠电池提供了重要理论依据与材料选择标准。

图1 集流体修饰剂对钠初始成核/沉积的影响

其次，传统观点认为基底−Na相互作用（如晶体兼容性、Na亲和力和Na吸附能）对Na沉积形貌和CE至关重要。然而，随着Na层的增加，Na−Na相互作用同样会影响钠后续的沉积行为。基于此，通过分子动力学和密度泛函理论模拟发现，较弱的Na−Na相互作用有助于后续的均匀钠沉积，可减少因副反应引起的CE损失。结果表明，低介电常数结合强基底-Na和弱Na-Na相互作用的修饰层能够有效避免钠聚集和不均匀沉积，最终实现稳定的Na沉积行为和高CE。这些结论为选择合适的集流体界面修饰材料提供了指导，硬碳修饰层表现出理想的性能，适合用作高能、长循环少负极钠电池的负极集流体。

图2 集流体界面对钠形核、沉积和剥离以及最终性能的关键评价标准

最后，与其他基材相比，最优的HC修饰层展现在高、低电流密度下均展现低钠沉积过电位，且在1.0 mA/cm2和1.0 mAh cm2的条件下，展现极其优异的循环稳定性，优于现有所有研究。得益于HC层对均匀钠沉积和可逆剥离，与商业正极材料（NVP）组装后实现了高达90.5%的容量保持率和稳定的过电位，显著优于未修饰的纯Al集流体体系。此外，Al~HC集流体与多种正极材料兼容，组装的软包电池NVP||Al~HC在900个循环后仍保持高的容量留存率。更重要的，基于Al~HC集流体制备了2.28Ah级NFPP||Al~HC少负极软包钠电池，展现出203 Wh/kg的高能量密度和311.4 Wh/L的体积能量密度，超越已有文献报道。在180次循环后仍维持95.2%的容量，同时表现出极低的自放电率，证明了其在高能、低成本钠电池中的实用潜力。

论文详情

Jiafeng Ruan, Jiaming Hu, Qin Li, Sainan Luo, Jinyu Yang, Yang Liu, Yun Song, Shiyou Zheng, Dalin Sun, Fang Fang & Fei Wang. Current collector interphase design for high-energy and stable anode-less sodium batteries. Nat. Sustain. 2025.

https://doi.org/10.1038/s41893-025-01545-5 

自然界长期以来为材料设计提供灵感，其中，多段结构往往可在质量传输、空间利用等方面实现“1+1>2”的效果。受此启发，多段结构在纳米尺度上也展现出提升单一单元性能的潜力。在绝热领域，构建多段结构能有效利用不同物质之间的导热差异从而实现性能优化。介孔二氧化硅（mSiO₂）具有丰富的孔道结构，同时其孔径小于空气分子平均自由程，不仅可增强Knudsen效应，抑制热传导，同时也可以限制气体对流。然而，目前mSiO₂的构筑主要依赖单一表面活性剂的一步连续自组装，不仅难以形成具有明确分段的单元型结构，也缺乏有序连接多个单元的能力。另一方面，适用于纳米粒子的组装方法又往往依赖外场作用或修饰处理，并不适用于胶束的组装，影响了其可控性与可拓展性。利用软凝聚态物质如胶束来构建分段结构不仅需要精确设计单元与单元之间的锚定点，还需要稳定的外围交联结构以抵消段-段组装过程中非平衡状态所带来的能量成本。实现这一目标需要对分子到介观层次组装过程的精确控制，仍然是一个重大挑战。

近日，复旦大学智能材料与未来能源创新学院赵东元、赵天聪课题组通过逐步自组装策略，实现了具有多段结构的层状mSiO2纳米竹的构建。其中，纳米竹的段数及连接方式精确可调。同时材料具有优异的绝热性能。相关研究成果以“Stepwise Self-Assembly of Multisegment Mesoporous Silica Nanobamboos for Enhanced Thermal Insulation”为题在Journal of the American Chemical Society上发表。

研究通过逐步自组装策略，实现了多段mSiO2纳米竹的可控合成。这些均匀的多段mSiO2纳米竹具有长程有序的层状介观结构。通过调节组装动力学，可以系统控制纳米竹的段数及其排列行为。这种独特的多段结构，是通过CTAB和DODAC共组装形成的小尺寸胶束单元逐步自组装形成。此外，纳米竹展现了优异的绝热性能（~ 41.67 mW·m-1·K-1），并且可用来构建具有超低的热导率（~ 19.85 mW·m-1·K-1）的多级孔气凝胶。这项工作为设计和合成具有稳定介观结构的新型多段纳米材料提供了一种灵活多样的方法，同时为自组装化学与科学提供了一种新的理解。

复旦大学化学系博士研究生黄曦锐为论文第一作者，赵东元教授、赵天聪青年研究员为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、复旦大学等机构与项目的大力支持。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05154

       全固态锂金属电池因其高安全性和高能量密度，被认为是下一代储能设备的有力竞争者。然而，锂枝晶的生长及电解质/电极界面机械相容性差等问题严重制约了固态电池的长期循环稳定性。作为固态电池的核心部件，固态电解质材料的刚度和阻尼在力学性能上呈现出此消彼长的制约关系：以无机陶瓷为代表的刚性电解质虽具备高杨氏模量，但其阻尼（粘弹性）不足，导致电极/电解质界面机械相容性差；而聚合物基电解质虽表现出良好的界面相容性，却因模量过低难以有效抑制锂枝晶的生长。这一刚度-阻尼的倒置关系成为制约固态电解质发展的关键科学问题。

       近日，复旦大学材料科学系赵婕课题组和化学系李伟课题组在Angewandte Chemie期刊上合作发表了题为“Multiscale Engineered Bionic Solid-State Electrolytes Breaking the Stiffness-Damping Trade-Off”的研究论文。研究团队受牙釉质超结构的启发，设计并开发出一种由非晶TiO2纳米管阵列与聚合物电解质PEO交织而成的仿生复合固态电解质，实现了高刚度（杨氏模量达15 GPa，硬度为0.13 GPa）和优异的阻尼性能（tanδ=0.08），成功解决了传统固态电解质中刚度与阻尼难以兼顾的问题。一方面，这种电解质拥有媲美无机固态电解质的刚度，可有效抑制锂枝晶的生长；另一方面，其阻尼性能接近于聚合物固态电解质，确保了与电极的紧密接触。

       此外，该仿生复合固态电解质在室温下展现出优异的离子电导率（1.34×10⁻⁴ S·cm⁻¹）和较高的锂离子迁移数（0.62）。研究表明，非晶结构相比晶体结构更有利于聚合物链段的扩散运动，从而促进锂离子的迁移。同时，非晶陶瓷中的高浓度氧空位（Ovs）作为路易斯酸活性位点，有效促进了锂盐的解离，高度有序的无机-有机界面降低了锂离子扩散路径的迂曲度，协同提升了锂离子传输效率。

       电化学测试表明，基于该电解质组装的锂对称电池在60 °C下实现超过2000小时的稳定运行，在30 °C下循环寿命突破500小时。与LiFePO4和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极匹配的全电池体均展现出优异的循环稳定性，表明了其在工业应用中的巨大潜力。值得一提的是，该仿生策略同样适用于钠离子固态电解质，展现出普适性优势。

       复旦大学材料科学系博士后侯俊宇、硕士生孙武和博士生袁群瑶为该论文的共同第一作者；复旦大学材料科学系的赵婕青年研究员和复旦大学化学系的李伟教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划“新能源汽车”专项、国家自然科学基金面上项目、上海市政府间国际科技合作项目等经费的支持。

文章信息：

Junyu Hou#, Wu Sun#, Qunyao Yuan#, Longjiang Ding, Yanhua Wan, Zuohui Xiao, Tianke Zhu, Xingyu Lei, Jingsen Lin, Rongrong Cheacharoen, Yunlei Zhou, Shaolei Wang, Farid Manshaii, Jin Xie, Wei Li*, Jie Zhao*, Angew. Chem., 2025, 64, e202421427

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202421427 

       虽然目前锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命而在电池领域占据主导地位，但锂资源稀缺催生新型电池体系发展。目前亟需一类资源丰富、来源广泛的新型储能器件。可充电镁电池（RMBs）以丰富的镁储量、低廉的原镁价格以及优越的安全性和高容量等优势而备受关注。然而高性能的储镁正极材料的缺乏很大程度上限制了RMBs的发展。

       由于Mg离子的二价性质，且离子半径小，导致其在固相中扩散缓慢，缓慢的扩散导致了RMBs中较大的极化和电压滞后。这种缓慢的储镁动力学不仅限制了电池的充放电倍率，而且加速了电池的容量衰减。虽然目前许多方法已被用于改善储镁动力学，包括减小颗粒尺寸、扩大离子扩散通道和优化溶剂化结构等策略。但上述方法主要关注正极材料的结构对其电化学性能的影响，但正极-电解质界面对储镁动力学的贡献通常被忽视，调控RMBs界面动力学的潜在机制能不明确。目前有关界面问题的机理和策略亟待研究。因此，探索提高金属硫族化合物转化型储镁正极的界面动力学和反应动力学的有效方法是实现高性能RMBs的必要条件。

       近日，我系孙大林、王飞、刘洋团队提出原位电化学活化（ISEA）策略，显著提高了CuSe正极材料的储镁动力学，实现了RMBs优异的循环稳定性和倍率性能。相关成果以“In-situ electrochemical activation accelerates the magnesium-ion storage”为题发表在Nature Communications期刊上。

       ISEA策略通过优化正极材料的表面组成和晶格结构，促进了镁离子的传输和反应动力学。具体而言，经过ISEA处理后的CuSe正极表面富含MgF2，根据先前的报道，该成分有利于加速镁离子在电极和电解液之间的传输，提高储镁动力学；此外通过ISEA处理后，还扩大了CuSe正极(100)晶面的晶面间距，结合DFT计算表明，晶面间距的缩小降低了吸附能和形成能，促进镁离子的吸附和反应从而改善储镁动力学。最终，活化后的CuSe/TFSI/Mg电池在高电流密度下展现出优异电化学性能，400次循环后仍能保持~160 mAh/g的比容量，容量保持率超91%。倍率性能测试中在1000 mA/g的高电流密度下，电池比容量高达141 mAh/g。这项研究为改善储镁动力学提供了新思路和新方法。

图1. 经过ISEA处理后的CuSe||Mg电池电化学性能以及与其他已报道的储镁正极材料性能对比

文章信息：

Xuelian Qu, Guodong Li, Fengmei Wang, Ying Zhang, Tianyi Gao, Yutong Luo, Yun Song, Fang Fang, Dalin Sun*, Fei Wang*, Yang Liu*, Nature Communications, 2025

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56556-9 

       电解水析氢作为一种高效清洁的制氢方式，具有制氢纯度高、与可再生能源适配性好等优点。在电解析氢过程中，催化剂发挥着举足轻重的作用，它能够降低电解反应的活化能，进而提高析氢反应的速率和效率。通常而言，Pt和Ir等铂系金属是最有效的析氢反应催化剂，然而其高昂的成本和较低的储量，极大地限制了它们的广泛应用。与铂系金属相比，铜（Cu）具有低成本、高储量和优异的导电性，是一种潜在的理想析氢催化剂。但遗憾的是，Cu对析氢反应的氢中间体吸附过弱，导致其析氢催化活性极差，一般被用作集流体而不是催化剂。理论计算结果表明，引入拉伸应变和降低配位数可以有效地增强Cu对氢中间体的吸附作用。因此，如何通过局域结构调控，在降低配位数的同时引入强且稳定的拉伸应变，成为激活纯Cu析氢催化活性的核心难点。

       近日，复旦大学材料科学系的方方、孙大林团队受到电化学充放氢反应中大反应驱动力的启发，与北京工业大学、北京大学和天津大学研究团队合作，创新地提出了激光烧蚀和电化学还原耦合的两步法合成策略，首次制备出富含畸变纳米孪晶的纯Cu析氢催化剂（DNTs-Cu）。在酸性条件下，DNTs-Cu展现出优于商用Pt/C催化剂的催化活性和稳定性。相关成果以“Electroreduction-Driven Distorted Nanotwins Activate Pure Cu for Efficient Hydrogen Evolution”为题发表在《自然材料》（Nature Materials）期刊上。

       该两步法合成方法首先利用激光烧蚀的非平衡作用制备出富含晶界的Cu2O纳米颗粒，然后再利用电还原将Cu2O还原成Cu。在电还原过程中，电化学反应的强驱动力使得细小的Cu2O晶粒被快速还原，从而导致晶界诱发的晶格失配得以保留，在还原后的纳米Cu中形成了大量畸变的多重孪晶结构。局域结构分析表明，DNTs-Cu中畸变的多重孪晶结构相互锁合，形成了强且稳定的拉伸应变，并在表面形成了大量原子台阶，使得Cu-Cu键长由铜箔的2.158 Å增长至2.255 Å，配位数由铜箔的12降低至9.5。DNTs-Cu的强拉伸应变以及表面原子台阶所产生的低配位提升了Cu催化位点的d带中心，显著地增强了Cu对氢中间体的吸附。在酸性电解液中，最优性能的DNTs-Cu在10 mA cm-2电流密度下的过电位仅为61 mV，与商用Pt/C催化剂相当；当电流密度超过100 mA cm-2时，其催化活性全面超越商用Pt/C。得益于多重孪晶互锁的稳定结构，DNTs-Cu表现出十分优异的催化稳定性。在500 mA cm-2高电流密度下连续运行125小时，催化性能仅衰减2%。与已报道的以Cu作为活性位点的Cu基析氢催化剂材料相比，DNTs-Cu具有更优异的催化活性和稳定性。

       该研究表明，与其他传统的金属材料制备方法相比，电化学方法可以产生更强的驱动力来产生强且稳定的晶格应变，为金属功能材料的研发与制备提供了新合成思路。同时，通过改变原子配位数和晶格应变来调节反应中间体的吸附能进而激活非活性金属催化性能，为高效电催化剂的设计提供了新范式。

文章信息：

Zhe Li#, Yueshuai Wang#, Hui Liu#, Yi Feng, Xiwen Du, Zhiheng Xie, Jihan Zhou*, Yang Liu, Yun Song, Fei Wang, Manling Sui, Yue Lu*, Fang Fang*, Dalin Sun*, Nature Materials, 2025.

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02098-2

图 （a）DNTs-Cu的畸变纳米孪晶结构；（b）DNTs-Cu的析氢催化性能；（c）DNTs-Cu的催化稳定性；（d）DNTs-Cu与其他已报道Cu基催化剂的催化性能对比。