顶刊封面｜5月材料领域10大成果精选

笔者梳理了材料类系列顶刊中封面文章，什么样的研究才可以上得了封面呢？一起了解下！

1、Nature Chemistry封面｜氮杂环碳基功能化的金纳米团簇

金纳米团簇是一种原子精确的纳米材料，它使人们对纳米科学中的结构-性能关系有了前所未有的了解。硫代酸盐是最常见的配体，捆绑成团簇通过与处于金属状态的中心金原子的主基序结合。对于具有不同键合模式的纳米团簇，缺乏其他强结合配体一直是该领域的一个重要限制。芬兰于韦斯屈莱大学Hannu Häkkinen教授联合加拿大皇后大学、日本名古屋大学等报告了一种以前未知的金（0）纳米团簇配体：氮杂环卡宾(NHCs)，它具有强大的金属-碳单键，并赋予相应的金团簇高度的稳定性。通过正交实验对含NHC团簇的稳定性进行了评价，含NHC的团簇比全膦团簇更稳定，其绝对稳定性取决于NHC的性质。研究发现：不同簇在电催化CO₂还原中的性能与簇的稳定性有关，最稳定的簇具有最高的法拉第电流效率、催化活性和电流密度。在金纳米团簇中加入单一的NHC可以显著提高电催化还原CO₂的稳定性和催化性能。观察结果表明，NHC的结构、当量和反应条件决定了引入NHCs的数量是可控的，团簇可获得多达5个NHCs。由于可以原子精确地分析它们的结构，电催化性能可以进一步提高，这些新的NHC稳定纳米金团簇可以为电催化性能带来可量化的好处。

文献链接：N-heterocyclic carbene-functionalized magic-number gold nanoclusters （Nature Chemistry | VOL 11 | MAY 2019 | 419–425 |）

2、Nature Materials封面｜第二类外尔半金属的非线性光响应

拓扑效应在块体材料中的实验表现引起了人们极大的研究兴趣，然而，到目前为止，还没有直接的实验证明Weyl节点的光跃迁过程中电子在实空间发生一致位移。北京大学的孙栋、冯济和陈剑豪教授对基于外尔半金属TaIrTe₄的原型器件的拓扑特性的光电探测性能进行了研究，探究了外尔半金属拓扑特性对其非线性光学效应的影响，并通过引入拓扑效应实现了基于半金属的光电探测器的响应度在中红外波段的巨大提升。利用拓扑外尔半金属内在的拓扑性质，大幅度提高了探测器在中红外波段的响应度，从而在原理上解决了半金属探测器的响应度方面的长期技术瓶颈问题。该工作主要利用的拓扑效应是外尔半金属的外尔点附近具有发散的贝里曲率，使得跟贝里场相关的位移电流响应在外尔点附近受到明显的增强；而能量越低的光子造成的跃迁会越接近外尔点，受到增强的效果也就越明显。研究者将该拓扑效应与光探测性能相结合，得以使基于拓扑半金属的原型光电探测器的响应度在中红外波段得到三个量级的增强，使得拓扑半金属在中远红外光电探测领域具有良好的应用前景。

文献链接：Nonlinear photoresponse of type-II Weyl semimetals（Nature Materials | VOL 18 | MAY 2019 | 476–481 |）

3.Nature Nanotechnology封面｜金属有机框架(MOFs)中的分子马达

过度拥挤的烯烃基光驱动分子马达能够进行大幅度的重复单向旋转。这种行为运动在溶液中是很容易进行的。然而就固相状态下来说，布朗运动似乎阻碍了纳米级固相利用协同作用的精确定位。荷兰格罗宁根大学Wesley R. Browne，Sander J. Wezenberg和Ben L. Feringa教授（2016年诺贝尔化学奖得主）等人演示了晶体金属有机框架(MOFs)中的分子马达。运动单元成为有机连接体的一部分，通过粉末和单晶x射线分析以及偏振光学和拉曼显微镜对其空间排列进行了表征。他们证实了MOF框架中保留了光驱动电机单元的单向旋转，通过比较溶液中光化学和热驱动的旋转运动与晶体中的旋转运动，发现由于所选框架提供了足够的自由容积，支板中的运动单元能够实现360°无阻碍的单向旋转；并且分子马达以接近在溶液中的转速(热螺旋反转率)，在固态下运行。探索3D “moto-MOFs”旋转分子马达的集体行为，并为特定的光响应功能定制晶体材料，可以来控制晶体材料的动态功能。例如控制气体扩散，定向光传质或微型光泵。

文献链接：Unidirectional rotary motion in a metal–organic framework （Nature Nanotechnology | VOL 14 | MAY 2019 | 488–494｜）

4、Nature Catalysis封面｜二维铜纳米片用于电化学还原一氧化碳为醋酸盐

将二氧化碳升级为高价值的多碳(C₂₊)产品是燃料和化学生产的一个有前途的途径。在所有的单金属催化剂中，铜以其独特的选择性将CO₂或CO转化为C₂₊产物的能力而备受关注。尽管人们已经进行了许多尝试来合成铜材料来揭示这种期望，但获得高质量的纳米结构铜催化剂的电还原CO₂/CO，仍然是一个挑战。中国电子科技大学康毅进教授报道了二维铜纳米片电催化 CO还原制乙酸盐的最新研究进展，一个简单的合成独立式三角形的二维铜纳米片，有选择地暴露(111)表面。在2M KOH电解质中，Cu纳米片表现出48％的乙酸盐法拉第效率，在电化学CO还原中乙酸盐部分电流密度高达131mA cm ^-2，这是在实际反应速率（> 100mA cm^-2）条件下在电化学CO₂/CO电还原中实现的最高乙酸盐选择性。高乙酸盐选择性可能是由于暴露的（100）和（110）表面减少，抑制了乙烯和乙醇的生成。理论计算表明，形成乙酸盐的途径中形成乙烯酮中间体，中间体其中一个氧原子来自电解质，另一个氧原子来自CO反应物。

文献链接：Two-dimensional copper nanosheets for electrochemical reduction of carbon monoxide to acetate（Nature Catalysis| VOL 2 | MAY 2019 | 423–430 |）

5、Energy Environ. Sci.封面｜超高压集成微型超级电容器

随着电源集成电子技术的发展，具有多种创新形式的高压集成微型超级电容器的小型化是当前迫切需要解决的问题。中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员及金属所任文才研究员展示了一种通用的、经济有效的、工业上适用的方法，用于快速和可伸缩地制造基于石墨烯的集成微型超级电容器（IMSCs），具有造型多样、审美多样、突出的灵活性和优越的模块化。

利用高导电石墨烯墨水，可以在几秒钟内直接屏幕打印出可设计形状的IMSCs，它由数百至数千个独立的平面微型超级电容器组成。在不同基底上（如柔性塑料基底、衣服、玻璃、A4纸）得到的可打印的平面微型超级电容器均表现出了出色的电化学性能，这种IMSCs不需要传统的金属互连和隔离物, 而且表现出卓越的双电层电容行为和显著的柔性，值得注意的是，IMSCs的输出电压和电容很容易通过MSCs的设计连接来调节，其中一个证明就是具有130个MSCs的IMSCs串联式储能组件，可输出记录的电压超过100v，显示出卓越的模块化和性能一致性。石墨烯迷人的特性和先进的丝网印刷技术的结合，大大简化了制造过程，并促进了与印刷电子产品的集成。这样一个高电压输出、可打印的能量存储包是非常强大的各种印刷微电子电源，显示了其作为独立小型电源的巨大潜力：利用电子器件在航空航天、军事、精密仪器、材料、生物医学和其他领域的狭小空间工作。与成熟的光刻技术相比，我们的策略是一种简单、经济、高度可扩展的快速构建可定制形状的方法，它具有超高压输出和良好的形状，为微型化和印刷电子产品提供了良好的机会。

文献链接：Ultrahigh-voltage integrated micro-supercapacitors with designable shapes and superior flexibility（Energy Environ. Sci., 2019, 12, 1534—1541）

6、Advanced Materials封面｜高性能卤化物钙钛矿单极电阻存储器件

电阻式随机存取存储器结合了动态随机存取存储器的长寿命和闪存的长存储时间的优点，有望在存储器技术应用中开辟一个新的领域。近年来，基于有机金属卤化物钙钛矿材料的电阻存储器件显示出了优异的存储性能，如低电压运行和高开/关比；这些特性是开发实用存储设备时低功耗的基本要求。首尔大学Keehoon Kang等人利用非卤化物铅源，通过简单的单步自旋涂覆法沉积钙钛矿薄膜，制备了交叉阵列结构的单极电阻存储器件。这些单极钙钛矿存储设备实现了高达10⁸的高开/关比，而且具有运行电压相对较低、耐磨性大、停留时间长等特点。基于此解决方案的高产量器件的制造将是实现低成本、高密度、实用的钙钛矿存储器件的一个尝试。

文献链接：High-Performance Solution-Processed Organo-Metal Halide Perovskite Unipolar Resistive Memory Devices in a Cross-Bar Array Structure (Adv. Mater. 2019, 31, 1804841)

7、Advanced Materials封面｜从概念到应用的可充电海水电池

从丰富性和可持续性的自然资源中获取能源具有重要的意义，海水是地球上最丰富的自然资源，覆盖了地球表面的三分之二。可充电海水电池是一种利用海水作为无限介质，实现电能与化学能相互转换的新型储能平台。韩国蔚山国家科学技术研究院的Youngsik Kim教授综述了近年来海水电池在实际应用方面的研究、开发项目及展望了其未来的应用前景。海水电池由正极室和负极室组成，正、负极室之间由钠离子导电膜隔开，钠离子导电膜只允许钠离子在两个电极之间传输。介绍了这三个关键部件（正、负极室及隔膜）的作用和缺点，以及在前人研究基础上提出的电池的开发理念和工作原理。此外，还介绍了大规模生产和自动化的原型生产线，以及特别是在海洋环境中潜在的应用；强调了海水电池组件工程的重要性，以及针对特定应用程序优化系统级别，从而成功进入市场；讨论了使海水电池能够成为现有可充电电池的一个有前途的替代品需要解决的关键问题。

文献链接：Rechargeable Seawater Batteries—From Concept to Applications（Adv. Mater. 2019, 31, 1804936） 

8、Angew.封面｜电化学实时质谱(EC-RTMS): 实时监测电化学反应产物

提供实时信息的方法对于解决发生在动态接口上的瞬变是必不可少的。赫姆霍尔兹可再生能源研究所Ioannis Katsounaros教授提出了一种有效的方法，能够在电化学反应形成后不久对其液相和气态产物进行时间和电位分辨表征。最大的发展是对液体产品的实时表征，因为它大大扩展了在不依赖于分析蒸气压或盐存在的电化学反应中。完全测定产品的可能性。这一发展将对快速评估不同电极/电解质界面电位相关的产品分布；通过监测中间产物和最终产物的形成，对复杂电化学反应的反应途径进行机理研究；捕获产品形成过程中的瞬态具有重要作用。

为了证明其非凡的潜力，电化学实时质谱(EC-RTMS)方法被用来确定从开始到氧化过程的电势跃迁或扫描实验中二氧化碳还原反应的产物(CO₂RR)。阳极氧化后在空前的时间分辨率里直接跟踪多个C₂₊产物增强形成的模式。这项新技术为解决短时间内发生的过程创造了令人兴奋的新机会，并最终指导设计新的、稳定的催化剂，用于动态操作下的选择性电合成。

文献链接：Electrochemical Real-Time Mass Spectrometry (EC-RTMS):Monitoring Electrochemical Reaction Products in Real Time （Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7273 –7277）

9、JACS封面｜多态有机纳米晶体中的光捕获能量转移

多态性和各向异性是晶体材料的两种基本性质。有机微纳晶态材料具有规整度高和结构缺陷少的特点，被认为是揭示材料本征特性和构筑高性能光电器件的最佳选择之一。然而从单一分子制备多态发光微纳晶体过程中，结构依赖性的光致发光各向异性在多态有机晶体中尚未得到充分的研究。中国科学院化学所钟羽武、赵永生教授通过溶液再沉淀法成功制备了金属有机铂配合物PtD的黄色发光晶体PtD-y和绿色发光晶体PtD-g。偏振发光实验表明，PtD-y表现出较强的磷光各向异性，而PtD-g的绿色发光在相同测试条件下几乎为各向同性。根据单晶结构和理论计算可知，晶体发光的各向异性受益于分子跃迁偶极矩在晶体结构中的平行取向，而晶体发光的各向同性是由于分子跃迁偶极矩的交叉取向引起。合成的材料通过掺杂低能量红发射铂受体，实现了优异的光捕获和高效的能量转移。此外，纯PtD-y及掺杂的PtD-y的晶体中都观察到明显的PL各向异性和能量转移过程。纯PtD-y给体和掺杂受体发射的PL各向异性比最高分别达到0.87和0.82，说明给体的激发各向异性能量可以有效地转移到受体，具有显著的放大效应。研究表明，填充方式对晶体材料的激发态和PL各向异性有重要影响，表明多态纳米结构在多功能纳米光子器件中的应用潜力巨大。

文献链接：Photoluminescent Anisotropy Amplification in Polymorphic Organic Nanocrystals by Light-Harvesting Energy Transfer（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6157-6161）

10、ACS NANO封面｜模拟细胞的纳米颗粒靶向药物传递

细胞膜伪装是药物传递领域的一个新兴领域，它将母体细胞的特殊功能赋予新形成的仿生载体。越来越多具有不同表面性质的传递系统被用于这一策略，但目前还不清楚膜-核结构亲和性能否保证有效和适当的伪装。西南大学汪小又团队和李翀团队提出一种简洁有效的“分子亲和”策略，利用跨膜受体的胞内结构域作为膜包覆过程中的“夹持器”。 这种材料采用红细胞膜和阳离子脂质体制备，从胞浆蛋白P4.2中提取肽配体，可以特异性识别红细胞关键跨膜受体的胞内结构域。一旦锚定在脂质体表面，p4.2衍生肽将与分离的红细胞膜相互作用，形成“隐藏肽键”， 来引导细胞膜去正确、有效地包裹药物载体，从而有效解决了上述仿生型药物载体构建的难题。与传统聚乙二醇脂质体相比，包膜脂质体的粒径分布在100 nm左右，稳定性好，循环时间长。重要的是，它们具有通过病原真菌与宿主红细胞的相互作用以白色念珠菌为靶点，中和病原真菌分泌的血液毒素的能力。因此，模型药物的疗效得到了显著提高。综上所述，“分子亲和”策略可能为在实验室和工业规模上构建细胞膜涂层生物材料和纳米药物提供一种强大和通用的方法。

文献链接：Oriented Assembly of Cell-Mimicking Nanoparticles via a Molecular Affinity Strategy for Targeted Drug Delivery（ACS Nano 2019, 13, 5268-5277）

本文系Junas供稿。

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