最新一周合集！《Nature Communications》文章速递

又到栀子花开的季节，又是一年毕业季！研究生们给自己的科研生涯留下怎样的浓墨重彩呢？让我们拭目以待吧！

1.Nature Communications：酸中高选择性电化学合成H2O2的氢键钴卟啉骨架的理论指导设计

对酸中H2O2的选择性双电子氧还原反应要求很高，并且由于缺乏高效的非贵金属基电催化剂而受到很大的阻碍。金属宏观周期有希望，但相对而言研究不足。需要努力促进其固有的催化活性和/或增加活性位点的表面暴露。在此，来自苏州大学的Lu Wang & 中国科学院福建物质结构研究所的Tian-Fu Liu & 澳门大学的Yanguang Li等研究者，通过比较32种不同的金属卟啉对关键反应中间体的吸附自由能，进行了高通量计算筛选。钴卟啉的理论过电位最小可达40 mV。在计算预测的指导下，研究者制备了氢键钴卟啉框架，以提高酸中H2O2生成的催化活性位点的溶液可获得性。该产物的起始电位为~0.68 V, H2O2选择性为>90%，周转频率为10.9 s−1，稳定性为~30 h，这些特点使其在这一具有挑战性的反应中明显优于现有的竞争对手。

参考文献：

Zhao, X., Yin, Q., Mao, X. et al. Theory-guided design of hydrogen-bonded cobaltoporphyrin frameworks for highly selective electrochemical H2O2 production in acid. Nat Commun 13, 2721 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30523-0

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30523-0

2.Nature Communications：预测二维石英玻璃的失效

能够根据结构信息,预测材料的失效，对于设备和组件的监测具有巨大的实际意义和工业意义。由于深度学习的最新进展，即使是对强无序固体也可以进行准确的失效预测，但由于在此过程中使用的参数数量太多，无法对结果进行物理解释。在此，来自意大利米兰大学的Stefano Zapperi等研究者，解决了这个问题，从他们的初始未变形的结构，使用机器学习的方法来预测模拟二维石英玻璃的失效。然后，研究者利用梯度加权类激活映射(Gradient-weighted Class Activation Mapping, Grad-CAM)来构建与预测相关的注意力映射，并证明这些映射可以根据拓扑缺陷和局部势能进行物理解释。研究者表明，他们的预测可以转移到与训练中使用的不同形状或大小的样本，以及实验图像。该策略说明了通过数值模拟结果训练的人工神经网络，如何能够对实验测量结构的行为提供可解释的预测。

参考文献：

Font-Clos, F., Zanchi, M., Hiemer, S. et al. Predicting the failure of two-dimensional silica glasses. Nat Commun 13, 2820 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30530-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30530-1

3.JACS：核糖核蛋白组装中的扩散离子协调动力学

适当的离子浓度，对RNA和核糖核蛋白(RNP)组装的功能动力学是必需的。虽然实验和计算技术，为螯合离子的性质提供了许多见解，但对扩散离子对大规模构象重排的能量贡献知之甚少。在此，来自美国波士顿学院的Udayan Mohanty & 东北大学的Paul C. Whitford等研究者提出了一个模型，该模型旨在量化扩散的一价和二价离子对生物分子组装动力学的影响。该模型采用全原子(非H)分辨率和显式离子，其中有效势解释水化效应。研究者首先表明，该模型准确地预测了原型RNA系统中过量Mg2+离子的数量，其水平可与现代粗粒度模型相媲美。然后，研究者将该模型应用于一个完整的核糖体，并展示了弥漫性Mg2+和K+离子之间的平衡，如何在翻译过程中控制tRNA分子的动力学。该模型预测了，扩散离子对与tRNA进入相关的自由能垒的不同影响，以及tRNA结合到核糖体的能量。总之，这一分析揭示了扩散离子对RNP组装动力学的直接影响。

参考文献：

Ailun Wang, Mariana Levi, Udayan Mohanty, and Paul C. Whitford. Diffuse Ions Coordinate Dynamics in a Ribonucleoprotein Assembly. Journal of the American Chemical Society Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.2c04082

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04082

4.JACS：还原金红石TiO2(110)表面竞争性光诱导分子氧解离和解吸动力学：时域从头算研究

光化学O2活化，是许多光氧化化学反应的关键，底物-吸附质之间的相互作用，对反应效率和化学过程有显著影响。然而，这种反应的潜在机制仍不清楚。在此，来自北京师范大学的Run Long等研究者，以氧化还原的金红石型TiO2(110)表面为研究对象，采用时域密度泛函理论和非绝热分子动力学方法研究了光诱导的O2解离和解吸过程。模拟结果表明，O2在被还原的TiO2(110)表面上有三个不同的吸附位置，它更倾向于吸附在桥氧空位(OV)位点，其次是两个亚稳的五重配位Ti (Ti5c)位点，通过接受OV诱导的Ti3+离子的两个多余电子，导致过氧化O22-的形成。吸附在OV位点的O2不会产生捕获光激发空穴的中隙态，由于解离能垒很小，有利于O2的轻松解离而不是解吸，使载流子寿命超过0.5纳秒。相反，两种Ti5c吸附构型中由O2 π*反键轨道组成的中隙态能在数十皮秒范围内快速捕获光激发空穴，导致界面O-Ti键长延长，驱动O2解吸。由于存在微小的能量壁垒，两种Ti5c的吸附构型可以相互切换，并发生在Ti5c位点上，巩固了实验结果。选择合适的过渡金属可以增强p-d极化，从而操纵O2反键轨道的位置，控制O2的化学反应。该结果提供了光激发空穴之间的相互作用和吸附-底物相互作用，对O2解离和解吸的影响的基本认识。该研究展示了掺杂剂如何控制电子和电荷特性，从而设计出高性能的过渡金属氧化物催化剂。

参考文献：

Cheng Cheng, Niall J. English, Wei-Hai Fang, and Run Long. Understanding Competitive Photo-Induced Molecular Oxygen Dissociation and Desorption Dynamics atop a Reduced Rutile TiO2(110) Surface: A Time-Domain Ab Initio Study. ACS Catalysis 0, 12 

DOI: 10.1021/acscatal.2c01599

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c01599

5.ACS Nano：利用摩擦电子纳米发电机，使得深度学习获得颈部运动检测成为可能

颈部运动的状态，反映了颈椎的健康状况。人体颈部运动状态的检测，对健康智能化具有重要意义。一种实用的颈部运动检测器应该是可穿戴的、灵活的、高效的、低成本的。在此，来自重庆大学的Xianjie Pu & 西南科技大学的Yangsong Zhang等研究者，报告了这样一种颈部运动检测器，包括一个自供电摩擦电传感器组和一个深度学习块。四个可伸缩的硅橡胶摩擦电传感器集成在一个颈圈上。不同的颈部运动，这四个传感器引出不同幅度和/或方向的电压信号。因此，这四种信号的组合可以表示一种运动状态。值得注意的是，在颈圈和传感器之间附着了一层掺碳硅橡胶层，以屏蔽外部电场(即皮肤表面的电变化)，从而实现更可靠的识别。此外，设计的基于卷积神经网络的深度学习模型，对包括8个弯曲方向、2个扭转方向和1个静息状态在内的11类颈部运动进行识别，平均识别准确率为92.63%。研制的颈部运动检测器在颈部监测、康复和控制等方面具有广阔的应用前景。

参考文献：

Shanshan An, Xianjie Pu, Shiyi Zhou, Yihan Wu, Gui Li, Pengcheng Xing, Yangsong Zhang, and Chenguo Hu. Deep Learning Enabled Neck Motion Detection Using a Triboelectric Nanogenerator. ACS Nano Article ASAP DOI: 10.1021/acsnano.2c02149

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c02149