Recently, defect engineering has been used to intruduce half‐metallicity into selected semiconductors, thereby significantly enhancing their electrical conductivity and catalytic/electrocatalytic performance. Taking inspiration from this, we developed a novel bifunctional electrode consisting of two monolayer thick manganese dioxide (δ‐MnO 2 ) nanosheet arrays on a nickel foam, using a novel in‐situ method. The bifunctional electrode exposes numerous active sites for electrocatalytic rections and displays excellent electrical conductivity, resulting in strong performance for both HER and OER. Based on detailed structure analysis and density functional theory (DFT) calculations, the remarkably OER and HER activity of the bifunctional electrode can be attributed to the ultrathin δ‐MnO 2 nanosheets containing abundant oxygen vacancies lead to the formation od Mn 3+ active sites, which give rise to half‐metallicity properties and strong H 2 O adsorption. This synthetic strategy introduced here represents a new method for the development of non‐precious metal Mn‐based electrocatalysts for eddicient energy conversion.

Abstract The myelin sheath enables dramatic speed enhancement for signal propagation in nerves. In this work, myelinated nerve structure is experimentally and theoretically studied using synchrotron‐radiation‐based Fourier‐transform infrared microspectroscopy. It is found that, with a certain mid‐infrared to terahertz spectral range, the myelin sheath possesses a ≈2‐fold higher refraction index compared to the outer medium or the inner axon, suggesting that myelin can serve as an infrared dielectric waveguide. By calculating the correlation between the material characteristics of myelin and the radical energy distribution in myelinated nerves, it is demonstrated that the sheath, with a normal thickness (≈2 µm) and dielectric constant in nature, can confine the infrared field energy within the sheath and enable the propagation of an infrared signal at the millimeter scale without dramatic energy loss. The energy of signal propagation is supplied and amplified when crossing the nodes of Ranvier via periodic relay. These findings provide the first model for explaining the mechanism of infrared and terahertz neurotransmission through myelinated nerves, which may promote the development of biological‐tissue label‐free detection, biomaterial‐based sensors, neural information, and noninvasive brain–machine interfaces.

A deficiency of Ca2+ fluxes arising from dysfunctional voltage-gated calcium channels has been associated with a list of calcium channelopathies such as epilepsy, hypokalemic periodic paralysis, episodic ataxia, etc. Apart from analyzing the pathogenic channel mutations, understanding how the channel regulates the ion conduction would be instructive to the treatment as well. In the present work, in relating the free energetics of Ca2+ transport to the calcium channel, we demonstrate the importance of bridging Ca2+ hydration waters, which form hydrogen bonds with channel -COO- and -C═O groups and enable a long-distance effect on the Ca2+ permeation. By firing a terahertz wave which resonates with the stretching mode of either the -COO- or the -C═O group, we obtain significantly enhanced selectivity and conductance of Ca2+. The Ca2+ free energy negatively grows nearly 5-fold. The direct evidence is the reinforced hydrogen bonds. In addition, thanks to forced vibrations, -COO- contributes to raised permeation as well even under a field in resonance with -C═O, and vice versa. Since the resonant terahertz field could manipulate the conduction of calcium channels, it has potential applications in therapeutic intervention such as rectifying a Ca2+ deficiency in degraded calcium channels, inducing apoptosis of tumor cells with overloaded calcium etc.

Abstract Neurostimulant drugs or magnetic/electrical stimulation techniques can overcome attention deficits, but these drugs or techniques are weakly beneficial in boosting the learning capabilities of healthy subjects. Here, we report a stimulation technique, mid-infrared modulation (MIM), that delivers mid-infrared light energy through the opened skull or even non-invasively through a thinned intact skull and can activate brain neurons in vivo without introducing any exogeneous gene. Using c-Fos immunohistochemistry, in vivo single-cell electrophysiology and two-photon Ca 2+ imaging in mice, we demonstrate that MIM significantly induces firing activities of neurons in the targeted cortical area. Moreover, mice that receive MIM targeting to the auditory cortex during an auditory associative learning task exhibit a faster learning speed (~50% faster) than control mice. Together, this non-invasive, opsin-free MIM technique is demonstrated with potential for modulating neuronal activity.

Unwinding the double helix of the DNA molecule is the basis of gene duplication and gene editing, and the acceleration of this unwinding process is crucial to the rapid detection of genetic information. Based on the unwinding of six-base-pair DNA duplexes, we demonstrate that a terahertz stimulus at a characteristic frequency (44.0 THz) can serve as an efficient, nonthermal, and long-range method to accelerate the unwinding process of DNA duplexes. The average speed of the unwinding process increased by 20 times at least, and its temperature was significantly reduced. The mechanism was revealed to be the resonance between the terahertz stimulus and the vibration of purine connected by the weak hydrogen bond and the consequent break in hydrogen bond connections between these base pairs. Our findings potentially provide a promising application of terahertz technology for the rapid detection of nucleic acids, biomedicine, and therapy.

Abstract High‐sensitive metasurface‐based sensors are essential for effective substance detection and insightful bio‐interaction studies, which compress light in subwavelength volumes to enhance light–matter interactions. However, current methods to improve sensing performance always focus on optimizing near‐field response of individual meta‐atom, and fingerprint recognition for bio‐substances necessitates several pixelated metasurfaces to establish a quasi‐continuous spectrum. Here, a novel sensing strategy is proposed to achieve Terahertz (THz) refractive sensing, and fingerprint recognition based on surface waves (SWs). Leveraging the long‐range transmission, strong confinement, and interface sensitivity of SWs, a metasurface‐supporting SWs excitation and propagation is experimentally verified to achieve sensing integrations. Through wide‐band information collection of SWs, the proposed sensor not only facilitates refractive sensing up to 215.5°/RIU, but also enables the simultaneous resolution of multiple fingerprint information within a continuous spectrum. By covering 5 µm thickness of polyimide, quartz and silicon nitride layers, the maximum phase change of 91.1°, 101.8°, and 126.4° is experimentally obtained within THz band, respectively. Thus, this strategy broadens the research scope of metasurface‐excited SWs and introduces a novel paradigm for ultrasensitive sensing functions.

Abstract Neuromodulation serves as a cornerstone for brain sciences and clinical applications. Mid-infrared stimulation (MIRS) has been recently reported to cause non-thermal modulation of brain functions. However little knowledge of mechanisms hampers its application. Here we bridge across ion channels, neuronal signals, and behavioral performances associated with sensorimotor transformation to provide evidence of how the alternation of neuronal activity by MIRS guides the change of behavioral performance in awake-behaving pigeons. We compared effects on visually-guided eye movements by applying MIRS and electrical stimulation (ES) in the pretectal nucleus lentiformis mesencephali (nLM). Distinct from ES, we found a specific gain modulation of MIRS to alter behavior in a manner of the strength of visual inputs. Our simultaneous extracellular recordings showed that MIRS can excite and inhibit the neuronal activity in the same pretectal neuron based on its ongoing sensory responsiveness levels in awake-behaving animals. We further applied computational simulations and found that MIRS can modulate the carbonyl group (-C=O) enriched on the potassium channel to resonate, and could affect action potential generation, alter neuronal responses to sensory inputs and then guide behavior. Our findings suggest that MIRS could be a promising approach for brain researches and neurological diseases, with gene free manipulation.

Thermoelectrics have been limited by the scarcity of their constituent elements, especially telluride. The earth-abundant, wide-bandgap ( E g ≈ 46 k B T ) tin sulfide (SnS) has shown promising performance in its crystal form. We improved the thermoelectric efficiency in SnS crystals by promoting the convergence of energy and momentum of four valance bands, termed quadruple-band synglisis. We introduced more Sn vacancies to activate quadruple-band synglisis and facilitate carrier transport by inducing SnS 2 in selenium (Se)–alloyed SnS, leading to a high dimensionless figure of merit ( ZT ) of ~1.0 at 300 kelvin and an average ZT of ~1.3 at 300 to 773 kelvin in p-type SnS crystals. We further obtained an experimental efficiency of ~6.5%, and our fabricated cooler demonstrated a maximum cooling temperature difference of ~48.4 kelvin at 353 kelvin. Our observations should draw interest to earth-abundant SnS crystals for applications of waste-heat recovery and thermoelectric cooling.