近日，来自澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队联合莫纳什大学、纽卡斯尔大学、澳大利亚ANSTO中心及南方科技大学的学者，在国际顶尖期刊《Nature Communications》发表了最新研究成果“High performance plain carbon steels obtained through 3D-printing”。他们利用先进的3D打印技术，成功将历史悠久的碳素钢材料转化为高强度、高韧性的现代工程材料。 文章的第一作者谭启玚博士表示：“这项研究不仅证明了3D打印技术在传统材料创新中的巨大潜力，也为实现可持续发展的材料设计提供了全新思路。” 材料复杂化的挑战 过去一个世纪，为满足工业对强度、韧性等性能的需求，工程金属材料的设计逐渐走向复杂化。例如，钢铁材料中添加了大量合金元素以优化微观结构和性能。然而，合金成分的复杂化不仅提高了成本，还导致资源依赖性增强、回收难度加大，甚至存在供应链风险等隐患。因此，“材料简化”这一理念逐渐受到关注，即通过减少合金成分复杂度，探索简单材料体系在满足性能需求的同时降低成本和环境影响的可能性。 3D打印让材料简化成为可能 该团队采用激光粉末床熔融（L-PBF） 3D打印技术，充分利用其高速冷却（10⁴~10⁷ K/s）的特性，将最简单的铁-碳成分设计转化为高性能的工程材料。他们发现，打印过程中局部微熔池的快速凝固可直接生成超细马氏体和纳米贝氏体组织，避免了传统冶金中需要额外合金化以及热处理才能获得的微观结构。同时，通过调控打印参数，团队实现了材料性能的定制化，为工程应用提供了灵活选择。 研究中，团队以打印一个几何复杂的1080碳素钢齿轮为例进行说明（如图1所示）。传统淬火技术无法在如此复杂的结构中实现均匀硬化，但3D打印技术凭借逐层冷却特性轻松解决了这一问题，使齿轮具备优异的力学性能和结构完整性。为了进一步验证3D打印的性能优势，团队制作了一个L形1080钢部件，并对比了传统淬火处理和3D打印的效果。传统淬火导致了明显的裂纹和几何变形，而3D打印件则完全避免了这些问题，展现了3D打印技术在复杂部件中的优势。 通过对3D打印的AISI 1040以及AISI 1080碳素钢微观结构进行显微表征，研究人员发现材料中形成了超细马氏体和纳米贝氏体组织。这些微观结构不仅提高了材料的强度，还改善了韧性，展现出良好的性能平衡。研究进一步揭示，高速冷却的特点抑制了珠光体的形成，同时逐层打印的热循环起到了自回火作用，有效缓解了残余应力。 图1 | 传统方法与金属3D打印在AISI 1080碳素钢淬透性方面的表现：(a) 激光粉末床熔融（L-PBF）金属3D打印工艺示意图，其中插图 (a1) 展示了1080钢粉末原料的形貌。(b) 放大图展示了(a)标记区域的典型“鱼鳞状”熔池结构。(c) 使用1080钢粉末通过L-PBF工艺打印的斜齿轮，图中显示了坐标系统表示的平面方向（Z轴为打印方向）。(d) 齿轮在XZ平面（上方）和XY平面（下方）的截面硬度分布，箭头标示了(c)中的测量位置。(e) 标准Jominy端淬测试的示意图。(f) 传统锻造1080钢Jominy端淬样品和3D打印1080钢Jominy端淬样品的硬度分布。(g) 1080钢L形演示件，经过传统水淬处理后产生的变形和裂纹，如 (g1) 的光学显微图所示。(h) 对比之下，3D打印样品具有无裂纹且无变形的结构完整性，如 (h1) 的光学显微图所示。(i) 不同激光能量输入条件下3D打印1080钢的致密化行为和硬度分布。 实验结果表明，3D打印碳素钢在马氏体主导的微观结构下，表现出接近2 GPa 的抗拉强度，同时通过优化打印参数获得了更优异的强韧性组合（图2）。与传统锻造的碳素钢钢相比，3D打印件实现了更高的强度和韧性。在与其他超高强度合金钢（UHSS）的对比中，3D打印1080钢同样表现出显著优势。3D打印碳素钢的强度与韧性组合不仅超越了低、中合金超高强度钢（如4140、4340、8540、300M、H13钢），甚至与高端合金钢（如18Ni(300)马氏体时效钢）相媲美。 图2 | 机械性能： (a) 不同激光能量输入条件下3D打印1080钢的典型工程拉伸应力-应变曲线，插图和箭头显示了样品的截面方向和打印方向（BD）。(b) 不同激光能量输入条件下3D打印1040钢的典型工程拉伸应力-应变曲线，插图同样显示了样品的截面方向和打印方向（BD）。(c, d) 阿什比图，展示3D打印(c)1080钢和(d)1040钢的机械性能，与传统锻造同级钢材相比。(e, f) 阿什比图对比3D打印碳素钢与典型商业化超高强度钢（UHSS）的机械性能，(e) 显示屈服强度与延伸率的关系，(f) 显示屈服强度与冲击能量的关系。(g) 阿什比图比较3D打印碳素钢与其他3D打印UHSS的机械性能，展示了不同加工条件下的性能组合。 这项研究巧妙利用3D打印技术的微区融化及快速冷却特性，实现了碳素钢微观组织的显著优化。通过调整打印参数，研究人员成功在最简单的铁-碳合金体系中获得了性能媲美甚至超越复杂合金钢的机械性能。并且，他们通过这项技术避免了传统热处理可能引发的裂纹和变形问题，为工程领域提供了一种高效的材料解决方案。 研究亮点 简化合金设计：无需复杂的化学成分，仅通过铁和碳实现卓越性能。 突破性性能：3D打印碳素钢的强度和韧性超越了一些传统超高强度合金钢。 环保与可持续性：减少稀有合金元素的使用，推动材料的可回收性和资源安全性。 这一突破性研究为未来高性能材料的设计和制造提供了全新方向，同时彰显了传统材料在现代技术加持下焕发出的巨大潜能。全文及所附支持材料见https://doi.org/10.1038/s41467-024-54507-4

一、【导读】 随着纳米技术的迅速发展，制造复杂纳米结构的需求也在不断增加。阴影球光刻（SSL）是一种利用自组装胶体球作为掩模的先进纳米制造技术，能够通过材料沉积创建复杂纳米结构。这种方法不仅经济高效，还能够实现大规模生产，非常适合工业应用。然而，由于参数空间的庞大，优化这些结构仍然具有挑战性。这主要是因为SSL涉及的参数空间极其广泛，包括材料选择、沉积角度及间隔、球体直径等。传统试错法难以应对如此复杂的参数组合，因此亟需一种通用优化框架，能高效引导纳米结构的设计与优化。 二、【成果掠影】 最近，重庆大学微电子与通信工程学院博士研究生陈心怡在艾斌研究员的指导下，发表了一篇题为《A general optimization framework for nanofabrication using shadow sphere Lithography: A case study on chiral nanohole arrays》的论文。该论文发表于ELSEVIER的中科院一区期刊《Journal of Colloid and Interface Science》。该研究团队提出了一种用于SSL制造纳米结构的通用优化框架，并通过手性旋转纳米孔阵列（RHA）进行了验证。这项研究结合自定义SSL程序、用于消除冗余结构的新数学模型，以及结合有限差分时域（FDTD）模拟的机器学习分析。通过这个方法，高效分析了7200种结构参数，成功识别出圆二色性（CD）与不对称因子均优异的最佳参数配置。 三、【核心创新点】 该工作通过自定义SSL程序的开发，根据制造参数自动生成大量纳米孔结构。通过引入新数学模型，消除重复结构，显著优化计算效率。采用CatBoost算法结合FDTD模拟数据，分析并找出对结构性能影响最大的制造参数。这项研究对7200种参数配置的RHAs识别出最佳参数配置，结合数学模型消除冗余结构，减少86%的数据集，降低了计算和实验成本。优化后的RHAs实验结果与预测高度一致，最大CD和g因子分别达到3.23˚和0.28，显著优于大多数二维纳米结构的手性响应。该方法有望加速纳米光子学、等离子体学和手性传感领域的应用开发。 四、【数据概览】 Fig. 1. Optimization framework workflow. Fig. 2. An SSL program to generate nanostructures automatically. (a) Schematic showing the principle to develop the SSL program. (b) The fabrication configuration and major parameters varied to generate different RHAs. (c) Examples of the RHAs with different fabrication parameters based on the SSL program. (d) Stereoscopic views of the RHAs and showing the mirror symmetry of the enantiomers. Fig. 3. Schematic showing the general symmetry, mirror symmetry, and 60˚ differential rotation. The images were generated by the SSL program with the fabrication parameters depicted in the above rows and side columns. Fig. 4. Chiroptical properties of the Au-Ag RHAs. (a) TR(λ) and TL(λ) and of the RHA with the max CD. The inset shows the corresponding morphology. (b) CD spectra of the RHAs with the max CD. (c) Relative frequency distribution of the CD for the Au-Ag RHAs. (d) Plan Views of the Top 5 Au-Ag RHAs. (e) Scatter plotting of the CD for the Au-Ag and Ag-Au RHAs. Colormaps of the CD distribution for the Au-Ag RHAs: (f) Δφ-Δθ and (g) φ1-θ1. Fig. 5. ML Algorithms for calculating the contribution of each fabrication parameter. (a) Using algorithms of CatBoost, RF, and LightGBM to train the dataset. The max CD of each CD spectra and the fabrication parameters are the input and labels, respectively. (b) The R2 and RMSE of the three algorithms. (c) Diagram illustrating the gradient boosting decision tree in the CatBoost model algorithm. (d) Feature importance and permutation importance of φ1, θ1, Δφ, Δθ, φ2, and θ2) calculated by CatBoost. Fig. 6. Experimental samples and practical chiral responses. SEM images with EDS mapping for the Au-Ag (a) m-RHA and (b) r-RHA. The left bottom insets show the corresponding calculated morphology. TR(λ) and TL(λ) of the (c) experimental and (d) corresponding calculated m-RHA and r-RHA. (e) CD spectra of the experimental and calculated m-RHA and r-RHA. (f) Plotting of the experimental and calculated CD in this work and those in previous works. (g) |∆E/E0| and (h) C/|C0| of the m-RHA and r-RHA. 五、【成果启示】 这项研究为通过SSL优化制造纳米结构提供了一种快速、高效、系统化的通用框架，尤其在光子学、等离子体学和手性传感应用中具有潜在的促进作用。通过优化制造参数，我们能够显著增强结构的光学性能，提高实验效率，并降低计算和实验成本。在实验验证中，研究团队发现优化后的RHAs在手性响应上表现出显著增强，与理论预测高度一致。这不仅证明了优化框架的有效性和可靠性，还展示了其在实际应用中的巨大潜力，也为未来的研究和应用提供了宝贵的指导。通过这一框架，研究人员能够以更低的成本和更高的精确度，推动纳米技术的进一步发展，开创纳米光子学和相关领域的新局面。 第一作者为重庆大学微电子与通信工程学院陈心怡，通讯作者为重庆大学微电子与通信工程学院艾斌研究员。该研究得到了国家自然科学基金委和重庆市研究生科研创新项目的资助，并由重庆大学、杭州电子科技大学和吉林大学的研究人员共同完成，其中包括吉林大学张刚教授等参与工作研究。想了解更多关于这一研究的细节和实际应用潜力？请访问课题组https://www.ailabcqu.com/page112。让我们一同见证纳米科技的未来！本实验室专注于智能微纳传感系统，将人工智能和物联网技术与传统化学、物理和材料等学科结合，开发新型微纳制备技术、新型微纳光电子传感器和生物检测功能系统。 文章来源：原创 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.11.086 通信作者简介 艾斌，重庆大学“百人计划”特聘研究员，智能感知与多模态信息处理重庆市重点实验室副主任，重庆大学小米青年学者，博（硕）士生导师。于2011年获吉林大学化学学士学位。随后加入吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张刚教授团队，于2016年获高分子化学和物理学博士学位。后分别在在佐治亚大学物理与天文学系和德克萨斯A&M大学航空航天工程系进行博士后研究。迄今已在包括Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Chemistry of Materials及ACS Sensors在内的知名SCI期刊发表论文60余篇。五篇论文被选为封面文章，三篇文章成为月度或年度热点文章。相关工作被搜狐科技、Nanowerk等国内外媒体报道，并已获得9项中国发明专利授权。主持国家自然科学基金和重庆市自然科学基金等项目。是Advanced Materials、Advanced Functional Materials等知名期刊审稿人。担任国际期刊Discover Nano、AI+、International Journal of Smart and Nano Materials、Nanoscience & Nanotechnology-Asia和Advances in Materials编委。

图 胆汁淤积瘙痒分子机制及结构导向的无瘙痒副作用肝病治疗先导药物发现 　　在国家自然科学基金项目（批准号：22337002、92253305、22193073、31925017、22177006）资助下，北京大学雷晓光教授团队与北京大学李毓龙教授团队、首都医科大学北京佑安医院陈煜教授团队合作，在胆汁淤积瘙痒分子机制及新型无瘙痒副作用肝病药物开发领域取得重要进展，相关成果以“结构导向胆酸类似物的发现用于治疗肝脏疾病且无瘙痒副作用（Structure-guided discovery of bile acid derivatives for treating liver diseases without causing itch）”为题，于2024年10月29日在《细胞》（Cell）上发表。论文链接https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01149-8。 　　胆酸（Bile acids）是肝脏中胆固醇的代谢终产物，通过肝肠循环参与脂肪的消化吸收和胆固醇代谢调节，具有非常重要的生理功能。但是当胆汁流动受阻，发生胆汁淤积时，胆酸无法正常代谢导致在体内积累。高达80%的胆汁淤积患者伴有严重的瘙痒症状。然而，迄今为止胆汁淤积瘙痒发生的分子机制尚不明确且无有效的治疗药物。本研究通过对胆汁淤积瘙痒病人血浆中胆酸成分分析发现，3位羟基（3-OH）磺酸化修饰的胆酸含量相比于不瘙痒的患者显著升高。这种磺酸化修饰的胆酸能够显著增强其与瘙痒相关的G蛋白偶联受体MRGPRX4（hX4）的亲和力，诱发更加严重的瘙痒症状。利用冷冻电镜（cryo-EM）技术，研究人员成功解析了胆酸类似物DCA-3P与hX4的复合物结构，首次阐明了胆酸激活该受体的分子机制，并且发现了3-OH及其磺酸化修饰在激活hX4中至关重要的作用。随后，研究团队关注到临床上用于治疗胆汁淤积的药物奥贝胆酸（OCA）存在着广泛且呈剂量依赖性的瘙痒副作用。该研究从分子、细胞、动物及人体等多个层面证实了OCA诱发瘙痒副作用的靶点也是hX4。并且，OCA同样存在对于激活hX4至关重要的3-OH基团。为了缓解OCA的副作用，基于前面对胆酸激活hX4分子机制的研究，研究人员对OCA进行了精准的结构设计——去除激活hX4的关键基团3-OH，获得了新一代先导药物C7。对该药物进行治疗效果评估发现，C7丧失了激活hX4的活性，因而不会造成瘙痒的副作用。同时，在多种动物模型中验证发现，其保留了对于胆汁淤积和非酒精性脂肪肝炎（NASH）等多种肝脏疾病良好的治疗活性（如图）。该研究成果为胆汁淤积瘙痒和肝脏疾病的治疗开拓了全新的思路。

图 空气凤梨启发的静电纺丝纳米纤维取水原理图。(a,b)吸附水蒸气及疏水传输原理；(c,d) PCP@LiCl纺丝过程及亲疏水取水原理 　　在国家自然科学基金项目（批准号：52376203、52006145、51521004）等资助下，上海理工大学王佳韵副教授、王世革教授和上海交通大学王如竹教授合作，在温敏纳米纤维空气取水研究领域取得进展。这一成果在以“受空气凤梨启发的超高效温敏吸湿纳米纤维用于太阳能空气取水（Tillandsia-inspired Ultra-efficient Thermo-responsive Hygroscopic Nanofibers for Solar-driven Atmospheric Water Harvesting）”为题发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。论文链接https://doi.org/10.1002/adma.202408977。 　　随着全球变暖与工业化加速发展，水资源短缺已成为一个亟待解决的全球性难题。太阳能吸附式空气取水技术（SAWH）具有无需外接电力、可灵活离网的独特优势，获得了学术界的广泛关注。SAWH技术利用高效吸附剂捕捉空气中的水分子，借助太阳能产生的热驱动吸附态水分的释放，最终产出液态水，展现了巨大的应用潜力。然而，当前SAWH技术面临的两大挑战严重制约了其取水效率的提升：一是较高的解吸温度与较差的动力学性能限制了水分子的有效释放；二是传统的“解吸-冷凝”过程能耗巨大。因此，亟需探索并开发一种新型高效的空气取水技术路径。 　　受到空气凤梨的启发，团队从新材料、新循环两个角度，报道了基于新型温敏凝胶的空气取水技术，利用温敏材料亲疏水性转化，将内部吸附的水以液态形式直接挤出，避免了水经历多重气液相变造成的能量浪费。具体而言，研发的温敏纳米纤维吸附剂(PNIPAAm-CNTs-PNMA@LiCl)，可以将空气中的水蒸气直接吸附，并在升温至40oC时以液态水直接挤出，避免了水经历“气化-液化”造成的能量浪费。这种材料在相对湿度15%、30%和60%下分别达到了0.43、0.89和1.48g g-1的吸附量。 　　取水过程中温敏组分与氯化锂呈现了博弈现象，阶跃湿度由原本的11% RH延后至 35% RH。在收集相同水量情况下，所需冷凝温度由20oC提升为45oC。该材料还具有出色的动力学特性，能在2小时干旱工况下吸附至饱和，曝露在太阳光下5分钟内渗出液态水。团队结合吸附式空气取水的热力学框架和全球高精度气象数据，建立了全球潜能模型并证明了温敏纤维在干旱和半干旱地区的应用价值。该研究为实现高效的太阳能空气取水技术提供了新的思路。