梳理：2019年国内第一单位在NS上发表的材料类文章

2019年，国内高校以第一单位在Nature和Science上共发表了材料相关的39篇文章。我们通过对这39篇文章进行的分析和统计，得出了以下系统的总结。

各大高校2019年度的NS表现

在这39篇文章中，中国科学院以8篇位列第一；北京大学4篇紧随其后；浙江大学、南京大学、西安交通大学和复旦大学以3篇并列第三；上海交通大学、中国科学技术大学和南开大学以2篇位列第7。

文章列表

1.Realization of a three dimensional photonic topological insulator

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-018-0829-0

在诸如波导，激光器的现代光子设备中，将光子限制在有限的体积中是非常需要的。几十年前，这激发了光子晶体的研究和应用，光子晶体具有光子带隙，该光子带隙禁止光在所有方向上传播。最近，受拓扑绝缘体发现的启发，具有拓扑保护功能的光子禁闭已经在称为光子拓扑绝缘体的二维（2D）光子结构中得到证明，在拓扑激光器和稳健的光学延迟线上具有广阔的应用前景。但是，尚未实现完整的三维（3D）拓扑光子带隙。在这个工作中，作者通过实验演示了具有极宽3D拓扑带隙的3D光子拓扑绝缘体。该复合材料由具有强磁电耦合的开口环谐振器组成，其行为类似于“弱”拓扑绝缘体或2D量子自旋霍尔绝缘体的堆叠。使用直接场测量，作者绘制出带隙的体带结构和光子表面态的狄拉克样色散，并展示了沿非平面表面的稳健光子传播。这个工作将3D拓扑绝缘体的范围从费米子扩展到玻色子，并为在3D几何形状的拓扑光子腔，电路和激光器中的应用铺平了道路。

2.Catalogue of topological electronic materials

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-0944-6

诸如硒化铋，砷化钽和铋化钠之类的拓扑电子材料在整体中显示出非常规的线性响应，并且在其边界处显示出异常的无间隙状态。它们具有基础性和应用性，具有在高性能电子学和量子计算中使用的潜力。但是到目前为止，由于难以计算拓扑不变性质而阻碍了它们的检测，这既需要材料方面的经验，又需要具有先进理论工具的专业知识。在这里，作者介绍了一种有效、高效且全自动的算法，该算法可诊断大部分非磁性材料中的非平凡带形拓扑。这个算法基于最近开发的占用带的对称表示与拓扑不变量之间的穷举映射。作者浏览了晶体数据库中总共39,519种材料，发现其中多达8,056种在拓扑上是无关紧要的。所有结果都可以在具有交互式用户界面的数据库中使用和搜索。

3.Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-0937-5

在过去的十年中，拓扑材料引起了人们的极大关注。尽管已通过实验确认了几种理论上提出的拓扑材料，但由于缺乏拓扑材料而无法对琐碎的费米表面态的干扰降到最低，因此对拓扑性质的广泛实验探索以及在实际设备中的应用受到了限制。在这里，作者将对称性指标的方法应用于所有230个可能空间组中的所有合适的非磁性化合物。数据库搜索显示成千上万种候选拓扑材料，其中突出显示了241个拓扑绝缘体和142个拓扑晶体绝缘体，它们要么具有明显的全带隙，要么具有明显的直接间隙以及小的琐碎的费米腔。此外，作者列出了692个拓扑半金属，它们的带交点位于费米能级附近。这些候选材料开辟了在下一代电子设备中使用拓扑材料的可能性。

4.A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav3057

压电材料在受力时会产生电能，因此非常适合不同类型的传感应用。最有效的压电材料是陶瓷固溶体，其中压电效应在所谓的同相相界（MPB）上得到了优化。陶瓷由于其某些机械性能而不适用于多种应用。作者从分子钙钛矿(TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃固溶体合成了压电材料，其中MPB存在于单斜相和六方相之间。作者发现，与高性能压电陶瓷相比，其压电系数d₃₃为〜1540。该材料在可穿戴压电装置中具有潜在的应用。

5.Colossal barocaloric effects in plastic crystals

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1042-5

制冷对于现代社会（例如对于食品存储和空调）至关重要，而制冷则消耗了全球25％至30％的电力。当前的制冷技术主要涉及常规的蒸气压缩循环，但是由于其巨大的全球变暖潜力，该技术中使用的材料越来越引起环境关注。作为一种有前途的替代方法，近几十年来，基于固态热量效应的制冷技术一直受到关注。然而，由于等温熵变小和驱动磁场大，它们的应用受到当前热量材料性能有限的限制。在这里，作者报道了在称为塑料晶体的一类无序固体中，巨大的压力效应（CBCE）。在室温附近，在代表性的塑料晶体新戊二醇中获得的熵变化为每千克每开尔文约389焦耳。依赖于压力的中子散射测量表明，塑料晶体中的CBCE可以归因于这些材料广泛的分子取向无序，巨大的可压缩性和高度非谐晶格动力学。这个研究建立了塑料晶体中CBCEs的微观机理，并为下一代固态制冷技术铺平了道路。

6.Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecular nanofiltration

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aau5321

纳米多孔二维材料对离子和分子纳滤具有吸引力，但受到大面积机械强度不足的限制。文章报告了一种具有出色机械强度的大面积石墨烯-纳米碳纳米管/单壁碳纳米管（GNM/SWNT）混合膜，同时充分捕捉了原子薄膜的优点。单层GNM具有高密度的亚纳米孔，可有效传输水分子，同时阻止溶质离子或分子以实现尺寸选择分离。SWNT网络将GNM物理分离为小岛，并充当支撑GNM的微观框架，因此确保原子薄的GNM的结构完整性。所得的GNM/SWNT膜显示出高的水渗透性和高的盐离子或有机分子截留率，并且在管状模块中保持稳定的分离性能。

7.Freestanding crystalline oxide perovskites down to the monolayer limit

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1255-7

二维（2D）材料（例如石墨烯和过渡金属二卤化物）揭示了将大块晶体还原为单层时出现的电子相。过渡金属氧化物钙钛矿具有各种相关的电子相，因此基于过渡金属氧化物钙钛矿的单层材料的相似行为将为尚未探索的二维相关相打开大门。作者报道了具有几乎没有单个晶胞的高结晶质量的独立钙钛矿薄膜的制造。使用最近开发的基于水溶性Sr₃Al₂O₆的方法作为牺牲缓冲层，作者通过反应分子束外延合成了独立的SrTiO₃和BiFeO₃超薄膜，并将它们转移到各种衬底上，特别是晶体硅晶片和多孔碳膜。当接近2D极限时，独立的BiFeO₃薄膜表现出出乎意料的巨大四方性和极化。这个结果表明，在稳定的超薄氧化膜中，没有稳定结晶序的临界厚度。能够将结晶的钙钛矿独立膜合成并转移到任何所需基材上而没有任何厚度限制的能力，为研究二维相关相和界面现象提供了机会，而这在以前是技术上不可能的。

8.Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1226-z

二维（2D）材料的开发为它们在电子、光电和光伏领域的应用打开了可能性，因为与传统的基于硅的器件相比，它们可以提供更小尺寸，更高速度和更多功能的器件。为2D组件生长大型高质量单晶的能力对于2D设备的工业应用至关重要。原子层六方氮化硼（hBN）具有出色的稳定性，平坦的表面和较大的带隙，据报道是最好的2D绝缘体。但是，二维hBN单晶的大小通常限制在小于1毫米，这主要是由于此类晶体的生长困难；这些包括过多的成核作用，从而阻止了从单个核生长到大的单晶，以及hBN晶格的三重对称性，这导致了大多数基板上出现反平行结构域和孪晶边界。在这里，作者报道了通过对工业铜箔进行退火获得的低对称铜（110）邻面上的100平方厘米单晶hBN单层的外延生长。结构表征和理论计算表明，Cu <211>台阶边缘与hBN锯齿形边缘的耦合实现了外延生长，这打破了反平行hBN域的等效性，使单向域排列优于99％。hBN域的生长动力学，单向排列和无缝缝合已使用厘米级至原子级的表征技术进行了明确证明。这个发现将促进2D器件的广泛应用，并导致广泛的非中心对称2D材料的外延生长，以生产大型单晶。

9.High-temperature bulk metallic glasses developed by combinatorial methods

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1145-z

自从1960年发现以来，已经开发出了基于多种元素的金属玻璃。然而，玻璃形成成分的理论预测具有挑战性。迄今为止，发现具有特定性能的合金很大程度上是反复试验的结果。块状金属玻璃的强度和弹性可超过常规结构合金，但这些玻璃的机械性能关键取决于玻璃化转变温度。在接近玻璃化转变的温度下，大块金属玻璃经历塑性流动，导致准静态强度大大降低。已经开发出玻璃化转变温度高于1000开尔文的大块金属玻璃，但是过冷的液体区域很窄，导致热塑性成型性极低，这限制了它们的实际适用性。作者报道了铱/镍/钽金属玻璃（以及其他也包含硼的金属）的设计，其玻璃化转变温度高达1162开尔文，过冷液体区域为136开尔文，比大多数现有金属玻璃更宽。与现有合金相比，Ir-Ni-Ta-（B）玻璃在高温下表现出高强度：在1,000开尔文温度下为3.7吉帕斯卡。它们的玻璃成型能力的特点是临界铸造厚度为三毫米，这表明可以通过热塑性成型容易地获得用于高温或恶劣环境的小尺寸组件。为了识别感兴趣的合金，我们使用了简化的组合方法，利用了先前报道的玻璃形成能力和电阻率之间的相关性。这种方法是非破坏性的，允许随后在同一样本库上测试一系列物理性质。我们的设计和发现方法的实用性，以鉴定高强度，高温块状金属玻璃为例，预示着可以发现具有令人兴奋特性的其他玻璃态合金。

10.Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ single crystals

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw2781

高性能压电使各种机电应用中的换能器和传感器受益。压电电荷系数（d₃₃）最高的材料是弛豫体-PbTiO₃晶体，该晶体是二十年前发现的。作者成功地生长了掺Sm的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(Sm-PMN-PT)单晶，其d₃₃值甚至更高，范围为每牛顿3400至4100皮库仑，变化幅度小于生长时的20％。用扫描透射电子显微镜在原子尺度上表征了Sm-PMN-PT，并进行了第一性原理计算，以确定超压电性能是由于Sm³⁺掺杂物引入的增强的局部结构异质性而产生的。因此，稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。

11.Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw2843

轻质镁合金作为用于提高诸如运输车辆重量减轻应用中的结构材料是有吸引力的。广泛应用的一个主要障碍是镁的延展性有限，这归因于c+a位错未能适应塑性应变。作者使用原位透射电子显微镜机械测试证明了各种特性的c+a位错都可以适应。作者发现，亚微米级镁样品具有很高的可塑性，远高于其体积较大的同类材料。小晶体尺寸通常会带来高应力，进而激活镁中更多的位错以适应塑性，从而导致高强度和良好的塑性。

12.Giant and nonreciprocal second harmonic generation from layered antiferromagnetism in bilayer CrI₃

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1445-3

分层反铁磁性是具有反铁磁性层间耦合的铁磁性层的空间排列。最近，范德华磁体三碘化铬（CrI₃）以其几层的形式出现，成为第一层分层的反铁磁绝缘体，为新颖的器件功能开辟了充足的机会。在这个工作中，作者发现了双层CrI₃中出现的不可逆的二阶非线性光学效应。观察到的二次谐波产生（SHG）非常大：比已知的磁化感应SHG大几个数量级，并且与迄今为止研究的最佳2D非线性光学材料中的SHG相当。结果显示，虽然双层CrI₃的母体晶格是中心对称的，因此对SHG信号无贡献，但观察到的不可逆SHG完全源自分层反铁磁有序，这打破了空间反转和时间反转对称性。此外，极化分辨的测量结果揭示了潜在的C2h对称性，从而揭示了CrI₃双层中的单斜堆积顺序，为层状反铁磁性的微观起源提供了关键的结构信息。研究结果突出了SHG作为一种高灵敏度的探针，它可以揭示细微的磁阶，并打开基于2D磁体的新型非线性和不可逆光学设备的可能性。

13.Thermodynamically stabilized β-CsPbI₃–based perovskite solar cells with efficiencies >18%

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav8680

近年来，有机无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池效率获得了快速提升，但其化学稳定性差、易分解严重阻碍其商业化应用。相比之下，全无机CsPbI₃钙钛矿具有优异的化学稳定性，即使耐受400度高温也不发生分解，并且~1.7eV带隙的全无机CsPbI₃钙钛矿是和广泛使用的~1.1eV带隙的晶硅构建叠层太阳能电池的理想材料。但是，全无机CsPbI₃钙钛矿面临结构容忍因子过小导致的体相稳定性差，钙钛矿材料缺陷多以及其器件能级匹配不理想引发的器件效率较低这两大关键挑战

作者基于材料晶相的精准表征与理论计算，发现β相CsPbI₃比γ相CsPbI₃具有更加优异的相稳定性和光伏性能。其次作者提出了利用有机阳离子诱导调控CsPbI₃结晶动力学的科学策略，成功解决了β相CsPbI₃合成难题，实现了在温和条件下获得高质量的β相CsPbI₃钙钛矿。该热力学稳定的β-CsPbI₃钙钛矿同时具有高度（110）晶面取向利于电荷传输。与立方晶相的α-CsPbI3相比，隶属于四方晶系同时具有高度（110）晶面取向的β-CsPbI₃晶体对称性有所下降：Pb-I八面体表现出一定程度的扭曲，但又低于正交结构的γ-CsPbI₃中Pb-I八面体扭曲程度。基于理论计算揭示了CsPbI3全无机钙钛矿中α、β、γ三种晶相中Pb-I八面体扭曲程度不同是导致晶体结构和带隙差异的关键，特别是从理论上指出β-CsPbI₃会拥有更窄的带隙，和实验结果一致。

14.Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw8109

基于介电材料的电容器由于其高功率密度、高耐压及高可靠性而在电子电力设备中有广泛应用。然而，电容的能量密度普遍较低。介电材料的能量密度Ue由施加的电压及电介质极化决定，其中Pm为最大极化强度，Pr为剩余极化强度。故高Pm、低Pr及高可耐受电压是提高能量密度的关键。基于陶瓷或高分子材料的传统介电电容能量密度一般小于5 J/cm³。作者设计合成的多相纳米晶域介电薄膜具有优异的储能性能，可用于各类电容及热电装置。且整个设计合成策略亦可用于开发需调控纳米尺度晶域的特定用途材料。

15.Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax8018

在这个工作中，作者报道一种解决方案处理策略，以稳定基于钙钛矿的异质结构。在[CH(NH₂)₂]_x[CH₃NH₃]_1-xPb_1+yI₃膜与富铅表面和氯化石墨烯层之间形成强Pb-Cl和Pb-O键。构造的异质结构可以选择性地提取光生电荷载流子，并阻止软钙钛矿中分解组分的损失，从而减少对有机电荷传输半导体的损害。孔径为1.02平方厘米的钙钛矿太阳能电池在60^oC的AM1.5G太阳光下在最大功率点下运行1000小时后，保持其初始效率21％的90％的初始效率。老化设备的稳定输出效率已通过授权测试中心的进一步认证。

16.Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aay0291

人工智能和其他数据密集型应用已经提高了对数据存储和处理的需求。新的计算设备，例如基于相变随机存取存储器（PCRAM）的神经启发设备，是通过统一存储单元中的计算存储来突破冯·诺依曼障碍的有前途的选择。但是，当前的PCRAM器件具有相当大的噪声和电阻漂移，从而侵蚀了这些器件的精度和一致性。作者设计了一种相变异质结构（PCH），该结构由交替堆叠的相变和约束纳米层组成，以抑制噪声和漂移，从而为可靠的高性能神经计算提供了可靠的迭代RESET和累积SET操作。这种PCH架构适合作为固有材料解决方案进行工业生产，而无需复杂的制造过程或大大增加的制造成本。

17.Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax7864

原子精确的碳纳米结构的构建有望为科学研究和纳米技术应用开发材料。在这里，作者证明了石墨烯折纸是将石墨烯转化为原子精确，复杂的纳米结构的有效方法。通过在低温下扫描隧道显微镜操作，作者沿任意选择的方向反复折叠和展开石墨烯纳米岛（GNI）。形成了具有可调节的扭转角和层之间的管状边缘连接的双层石墨烯叠层。折叠的单晶GNI产生具有指定手性和类似于碳纳米管的一维电子特征的管状边缘，而折叠的双晶GNI产生明确的分子内连接。计算折纸结构模型和电子带结构，以补充对实验结果的分析。本原子精确的石墨烯折纸提供了用于构建具有工程量子特性的碳纳米结构的平台，并最终提供了量子机器。

18.High thermoelectric performance in low-cost SnS_0.91Se_0.09 crystals

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax5123

热电技术允许在热和电之间进行转换。许多优质的热电材料包含稀有或有毒元素，因此有必要开发低成本和高性能的热电材料。在这里，作者报道了空穴掺杂的硫化锡（SnS）晶体中三个独立电子带的温度依赖性相互作用。这种行为导致有效质量（m*）和载流子迁移率（m）之间的协同优化，并且可以通过引入硒（Se）来增强。这将功率因数从每平方开尔文每厘米〜30微瓦提高到〜53微瓦，同时降低了硒合金化后的导热系数。结果，在SnS_0.91Se_0.09晶体中，作者在873 K时获得的最高品质因数ZT(ZTmax)为〜1.6，在300至873K时获得的平均ZT(ZTave)为〜1.25。这种波段控制策略为优化热电性能提供了一条不同的途径。高性能SnS晶体代表了向低成本，地球和环境友好的热电迈出的重要一步。

19.Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1617-1

高熵合金是一类材料，其中包含五个或更多个近等原子的元素。它们非常规的成分和化学结构有望实现前所未有的机械性能组合。此类合金的合理设计取决于对几乎无限的成分空间中成分-结构-性质关系的理解。在这里，作者使用原子分辨率化学映射来揭示广泛研究的面心立方CrMnFeCoNi Cantor合金和新型面心立方合金CrFeCoNiPd的元素分布。在Cantor合金中，五个组成元素的分布相对随机且均匀。相比之下，在CrFeCoNiPd合金中，钯原子的原子尺寸和电负性与其他元素显着不同，其均质性大大降低。所有这五个元素趋向于表现出更大的聚集，初始浓度波的波长小至1至3纳米。所得的纳米级交替的拉伸和压缩应变场导致对位错滑移的相当大的抵抗力。应变实验中的原位透射电子显微镜显示，从塑性变形的早期开始就存在大量的位错交叉滑移，从而导致多个滑移系统之间存在很强的位错相互作用。 CrFeCoNiPd合金中的这些变形机理与Cantor合金和其他面心立方高熵合金中的明显不同，这是由于成分的明显波动和堆垛层错能量的增加而引起的，从而导致了较高的屈服强度而又不降低应变硬化和拉伸延展性。映射原子级元素分布为理解化学结构提供了机会，从而为调整组成和原子构型以获得出色的机械性能提供了基础。

20.Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax6182

大型和小型冷却都需要高效，低成本的制冷。在固体的拉伸或静压压缩周期中使用熵变化的冰箱是家庭中使用的蒸汽压缩冰箱的替代方案。高捻度是由扭曲、卷曲或超卷曲纤维（包括天然橡胶，镍钛合金和聚乙烯钓鱼线的纤维）的扭曲变化引起的。使用相反的手性扭曲和卷曲可产生超卷曲的天然橡胶纤维和卷曲的钓线纤维，它们在拉伸时会冷却。已证明的用于冷却流动水的基于扭曲的设备可提供较高的冷却能量和设备效率。力学计算描述了加捻冷却的轴向和弹簧指数相关性及其在聚乙烯纤维相变中的起源。

21.Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aay7221

铁电体通常是易碎的变形的非柔性氧化物。作者合成了无损伤提离工艺的独立式单晶铁电钛酸钡（BaTiO₃）膜。这个BaTiO₃膜在原位弯曲测试过程中可能会发生〜180°折叠，这表明它具有超弹性和超柔韧性。作者发现超弹性的起源来自铁电纳米域的动态演化。高应力显着地调节了能量分布，并使偶极子在a和c纳米域之间连续旋转。形成了一个连续的过渡区，以适应变化的应变并避免通常导致断裂的高失配应力。通过域工程在其他铁电系统中该现象应该是可能的。超柔性外延铁电膜可以实现许多应用，例如柔性传感器，存储器和电子皮肤。

22.High-temperature superconductivity in monolayer Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1718-x

尽管氧化铜高温超导体构成了复杂多样的材料族，但它们都共享分层的晶格结构。这个奇怪的事实引发了一个问题，即在隔离的单层氧化铜中是否可以存在高温超导性，如果存在，那么二维超导性和各种相关现象是否与它们的三维对应性不同。答案可能会提供有关维数在高温超导中的作用的见解。在这里，作者开发了一种制造工艺，该工艺可获得高温超导体Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ的本征单层晶体。单层的最高超导转变温度与最佳掺杂体的最高一样高。与传统的二维超导体大大降低的转变温度相比，缺乏对过渡温度的尺寸效应无法满足Mermin-Wagner定理的期望。单层Bi-2212的性能变得极为可调；作者对各种掺杂浓度下的超导性，伪能隙，电荷阶数和Mott状态的调查表明，这些相与本体中的相没有区别。因此，单层Bi-2212显示了高温超导的所有基本物理原理。这个结果建立了单层氧化铜作为研究二维二维高温超导性和其他强相关现象的平台。

23.Direct observation of van der Waals stacking–dependent interlayer magnetism

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav1937

控制晶体结构是操纵固体基本特性的有效方法。在范德华材料中，可以通过在层之间旋转和平移来更改堆叠顺序来实现此控制。在这里，作者观察到二维（2D）磁性半导体三溴化铬（CrBr₃）中依赖于堆叠的层间磁性，这是通过分子束外延成功地使其单层和双层生长而实现的。使用原位自旋极化扫描隧道显微镜和光谱学，作者将原子晶格结构与观察到的磁阶直接相关。尽管单个单层CrBr₃是铁磁性的，但双层中的层间耦合取决于堆叠顺序，并且可以是铁磁性或反铁磁性的。这个观察为通过层扭转角控制操纵2D磁性铺平了道路。

24.Nearly quantized conductance plateau of vortex zero mode in an iron-based superconductor

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax0274

Majorana零模式（MZM）是具有非阿贝尔编织统计信息的空间局部零能量分数类准粒子，为拓扑量子计算提供了希望。由于粒子的反粒子等效性，MZM在低温下表现出量化的电导率。通过使用可变隧道耦合扫描隧穿光谱，作者研究了FeTe_0.55Se_0.45超导体上涡旋结合态的隧穿电导。作者报道了电导平台的观测值与零能涡旋束缚态的隧穿耦合有关，零值涡旋束缚态的值接近或什至达到2e²/h量子电导。相反，在有限的能量涡旋结合态或超导间隙之外的电子态的连续体中都没有观察到平稳状态。零模电导的这种行为支持FeTe_0.55Se_0.45中存在MZM。

25.Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe₅

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1180-9

二维电子系统中的量子霍尔效应（QHE）的发现使拓扑在凝聚态物理中起着核心作用。尽管几十年前就提出了将QHE推广到三维（3D）电子系统的可能性，但尚未通过实验证明。在这里，作者报道了五氧化二锆锆（ZrTe₅）晶体中3D QHE的实验实现。作者在磁场下对块状ZrTe₅晶体进行低温电传输测量，并在相对低的磁场下达到极限量子极限，其中仅占据最低的Landau能级。在这种情况下，作者观察到接近零的无耗散纵向电阻率，伴随着发达的霍尔电阻率平台，该平台与沿电场方向的费米波长的一半成比例。该响应是3D QHE的特征，并强烈暗示费米表面不稳定性是由在极端量子极限中增强的相互作用效应驱动的。通过进一步增加磁场，纵向和霍尔电阻率都显着增加，并显示出金属-绝缘体的跃迁，这是另一种磁场驱动的量子相变。这个发现为3D QHE提供了实验证据，并为进一步探索3D系统中的奇异量子相和跃迁提供了有希望的平台。

26.Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw8719

固态铁磁材料的形状是刚性的，无法重新配置。铁磁流体尽管可重构，但在室温下是顺磁性的，当去除施加的磁场时会失去其磁化强度。在这里，作者显示了通过在水-油界面处组装的磁性纳米颗粒的单分子层的阻塞，铁磁流体液滴的可逆顺磁到铁磁转变。这些铁磁液滴具有有限的矫顽力和剩余磁化强度，可以很容易地重新配置成不同的形状，同时保留具有经典的南北偶极子相互作用的固体铁磁体的磁性能，它们的平移和旋转运动可以通过外部磁场远程和精确地驱动。

27.Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax5798

在安德森定位之外的二维系统中是否存在金属基态仍未解决。作者研究了纳米相图案的高温超导薄膜中，如何通过磁导量子振荡在超导体-金属-绝缘体跃迁之间形成量子相干。作者通过改变薄膜的蚀刻时间来调整相干度。在超导和绝缘状态之间，作者检测到了一种强健的中间异常金属态，其特征在于在低温下的饱和电阻和振荡幅度。这个测量结果表明，异常的金属态是玻色的，并且相干的饱和在其形成中起着重要作用。

28.Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1827-6

水的冻结现象无处不在，并影响着气候，化学工业，冷冻生物学和材料科学等各个领域。冰核化是水冻结的控制步骤，并且在近一个世纪以来，人们一直认为冰核化需要形成关键的冰核。但是，由于这种核的瞬态和纳米性质，因此没有直接的实验证据可以证明这种核的存在。在这里，作者报道了包含可控制尺寸的氧化石墨烯纳米片的水滴中的冰核化，并显示它们仅在一定大小以上对冰核化有显着影响，该大小随液滴的过冷程度而变化。从实验数据和理论计算中推断出，氧化石墨烯的临界尺寸反映了临界冰核的尺寸，在足够大的石墨烯氧化物的情况下，其位于其表面，并产生了与经典成核相一致的成冰行为理论。相反，当氧化石墨烯的尺寸小于临界冰核的尺寸时，钉扎在氧化石墨烯的外围会使冰核随着其生长而变形。这为成核作用提供了更高的自由能垒，并抑制了氧化石墨烯的促进作用。结果提供了关于临界冰核的存在和与温度有关的尺寸的实验信息，以前仅在理论上和通过模拟进行了探索。由于将临界前核固定在纳米颗粒边缘上并不是石墨烯氧化物上的冰核所特有的，因此这个方法有希望扩展到探测其他成核过程中的临界核。

29.A Eu³⁺-Eu²⁺ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aau5701

金属卤化物钙钛矿吸收剂中具有柔软性质的组件通常会在器件制造和操作过程中产生铅(Pb)⁰和碘(I)⁰缺陷。这些缺陷不仅充当重组中心以降低器件效率，而且还充当降解引发剂以阻碍器件寿命。结果表明，离子对Eu³⁺-Eu²⁺充当“氧化还原穿梭”，在循环中同时选择性氧化Pb⁰和还原I⁰缺陷。最终的器件实现了21.52％（认证的20.52％）的功率转换效率（PCE），并大大提高了其长期耐久性。 在1个太阳连续照明或在85^oC的温度下加热1500小时后，这些器件分别保持了92％和89％的峰值PCE，在最大功率点跟踪500小时后，它们分别保持了原始稳定PCE的91％。

30.Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H₂

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-018-0869-5

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于汽车和其他应用的有吸引力的下一代电源，其开发工作集中在改进燃料电池的催化剂体系上。一个问题是催化剂杂质被一氧化碳（CO）之类的杂质气体所毒化，一氧化碳通常占氢燃料的约百分之一。一种可能的解决方案是车载氢气纯化，其中涉及氢气中CO的优先氧化（PROX）。但是，这种方法具有挑战性，因为催化剂需要在很宽的低温范围内对CO氧化具有活性并具有选择性，以便在PEMFC连续运行过程中以及在汽车燃料电池中频繁发生的低温下有效去除CO。作者发现原子分散的氢氧化铁（选择性沉积在二氧化硅负载的铂（Pt）纳米颗粒上）能够在198至380开尔文的宽温度范围内通过PROX反应完全和100％地选择性去除CO。该系统的质量比活性比由铁氧化物载体上的Pt组成的更常规催化剂的质量比活性高约30倍。原位X射线吸收精细结构测量表明，大多数氢氧化铁以Fe₁(OH)_x团簇锚定在Pt纳米颗粒上存在，密度泛函理论计算表明Fe₁(OH)_x-Pt单个界面部位可以很容易地与CO反应并促进氧气活化。这些发现表明，除了针对氧化物支持的贵金属纳米颗粒或孤立的金属原子的策略外，孤立的过渡金属配合物的沉积提供了设计高活性金属催化剂的新方法。

31.Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav3200

当前使用的大多数光氧化还原催化剂是贵金属络合物或合成精细的有机染料，其成本可能阻碍其在大规模工业过程中的应用。作者发现，在不存在过渡金属的情况下，蓝光发光二极管在456纳米辐照下，三苯基膦和碘化钠的组合可以通过与氧化还原活性酯进行脱羧偶联来催化甲硅烷基烯醇醚的烷基化。作者还展示了使用Katritzky N-烷基吡啶鎓盐进行的脱氨烷基化和使用Togni试剂进行的三氟甲基化。此外，基于膦/碘化物的光氧化还原系统催化N-杂环的Minisci型烷基化，并且可以与手性磷酸串联使用，以在该反应中实现高对映选择性。

32.PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1603-7

通过电催化过程实现化学物质和电力的有效相互转化对于许多可再生能源计划至关重要。长期以来，氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）的动力学迟缓是该领域的最大挑战之一，通常需要基于昂贵的铂族金属的电催化剂来提高其活性和耐久性。这些合金化，表面应变和优化的配位环境的使用已导致铂基纳米晶体在酸性介质中具有很高的ORR活性。然而，由于在氢氧化物的存在下难以在铂族金属上获得最佳的氧结合强度，因此提高在碱性环境中该反应的活性仍然具有挑战性。在这里，我们证明PdMo双金属片（一种高度弯曲且亚纳米级厚度的金属纳米片形式的钯钼合金）是一种有效且稳定的碱性电解质中ORR和OER的电催化剂，并显示出极高的性能。锌空气和锂空气电池的阴极，与碱性电解液中的可逆氢电极相比，PdMo双金属片的薄层结构可实现较大的电化学活性表面积以及高原子利用率，从而在0.9伏特下对每毫克钯的ORR产生16.37安培的质量活性。该质量活性分别比市售Pt/C和Pd/C催化剂高78倍和327倍，并且在30,000个潜在循环后几乎没有衰减。密度泛函理论计算表明，合金化效应，由于弯曲的几何形状引起的应变效应以及由于薄板的厚度引起的量子尺寸效应调节了系统的电子结构，从而优化了氧的结合。

33.Metal-free directed C-H bond activation and borylation

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1640-2

Organoboron试剂是重要的合成中间体，在天然产物、药物和有机材料的构造中具有关键作用。发现更简单，更温和，更有效的有机硼方法可以为获取更多种类的物质开辟新途径。在这里，作者展示了不使用金属催化剂直接进行芳烃和杂芳烃的CH硼化的一般方法。C7和C4硼化的吲哚是通过温和的方法生产的，该方法可与各种官能团相容。通过密度泛函理论计算建立的机理涉及BBr₃既充当试剂又充当催化剂。形成的硼物种向下游转化为天然产物和药物支架的过程突显了该策略的潜在效用。

34.Modular click chemistry libraries for functional screens using a diazotizing reagent

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1589-1

点击化学是一个概念，其中模块化合成用于快速发现具有所需特性的新分子。铜（i）催化的叠氮化物-炔烃环加成（CuAAC）三唑环化反应和硫（vi）氟化物交换（SuFEx）催化被广泛认为是点击反应，可快速获得其产物，收率接近100％，而与其他正交反应。但是，在CuAAC反应的情况下，由于叠氮化物试剂的潜在毒性和制备中涉及的爆炸危险，因此其可用性受到限制。在这里，作者报道了添加到点击反应族中的另一种反应：由伯胺（最丰富的官能团之一）形成叠氮化物。该反应仅使用一当量的简单重氮化物氟磺酰叠氮化物（FSO₂N₃），并能够以安全实用的方式在96孔板上制备1200多种叠氮化物。这种可靠的转化是CuAAC三唑环化（目前使用最广泛的点击反应）的有力工具。该方法大大扩展了易获得的叠氮化物和1,2,3-三唑的数量，并且鉴于CuAAC反应的普遍性，该方法应在有机合成，药物化学，化学生物学和材料科学中得到应用。

35.Crosslinking ionic oligomers as conformable precursors to calcium carbonate

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1645-x

无机材料在社会中具有至关重要的作用，包括建筑结构、光学设备、机械工程以及作为生物材料。然而，无机材料的制造受到经典结晶的限制，经典结晶常常产生粉末而不是具有连续结构的整料。已经提出了几种能够实现非经典结晶的前体，例如预成核团簇，致密的液滴，聚合物诱导的液体前体相和纳米颗粒，以改善无机材料的结构，但是这些前体在纳米技术中的大规模应用整体制备受到可用性和实际考虑的限制。受可通过交联单体或低聚物制造的聚合材料的可加工性的启发，在此作者展示了通过交联离子低聚物来构建连续结构的无机材料的过程。以碳酸钙为模型，文中获得了大量具有可控制分子量的低聚物(CaCO₃)_n，其中三乙胺用作封端剂以稳定低聚物。除去三乙胺可引发(CaCO₃)_n低聚物的交联，从而快速构建纯整体式碳酸钙，甚至具有连续内部结构的单晶。

36.Site-specific allylic C–H bond functionalization with a copper-bound N-centred radical

Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1655-8

选择性C-H键功能化的方法为化学家提供了广泛而强大的合成工具箱，例如无需长时间进行新颖合成即可对铅化合物进行后期修饰。鉴于有大量可用的HAT受体以及可用于生成的自由基中间体的反应途径的多样性，通过氢原子转移（HAT）裂解sp³ C-H键特别有用。然而，位点选择性仍然是一个巨大的挑战，特别是在具有可比性能的sp³ C-H键之间。如果中间基团可以进一步被对映选择性地俘获，则这应该能够实现C-H键的高位和对映选择性官能化。在这里，作者报道了铜（Cu）催化的复杂烯烃的定点和对映选择性烯丙基氰化，其中以Cu（ii）结合的氮（N）为中心的自由基在实现精确的定点HAT中起关键作用。事实证明，该方法可有效收集各种含烯烃分子，包括空间要求结构和复杂的天然产物及药物。

37.Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw7493

对于实用的燃料电池，开发高效，耐用的电催化剂至关重要。文章报道了具有Pt皮结构的一维束状铂镍（Pt-Ni）合金纳米笼，用于氧还原反应，具有高质量活性和比活性，比市售碳载铂高出近17倍和14倍（Pt/C）催化剂。在50000次循环后，该催化剂表现出高稳定性，而活性下降可忽略不计。实验结果和理论计算均表明，由应变和配体效应引起的强键铂-氧（Pt-O）位点较少。此外，通过这种催化剂组装的燃料电池在0.6伏特下的电流密度为每平方厘米1.5安培，并且可以稳定运行至少180小时。

38.Highly enantioselective carbene insertion into N–H bonds of aliphatic amines

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw9939

脂肪胺容易抑制过渡金属催化剂的活性，这对氮氢（NH）插入反应构成了显着挑战。在这里，作者报道了使用两种催化剂串联的非对映选择性卡宾插入脂肪族胺的N-H键中：非手性铜配合物和手性氨基硫脲。配位保护了激活卡宾前体的铜中心。然后，手性氨基-硫脲催化剂促进对映选择性质子转移以产生插入产物的立体中心。该反应将多种重氮酯和胺偶联，生成手性α-烷基α-氨基酸衍生物。

39.Nitromethane as a nitrogen donor in Schmidt-type formation of amides and nitriles

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aay9501

自1923年发现以来，Schmidt反应一直是一种高效且广泛使用的合成酰胺和腈的方法。然而，其应用常常需要使用挥发性，潜在爆炸性和高毒性的叠氮化物试剂。在这里，作者报告了一个序列，其中三氟甲酸酐，甲酸和乙酸激活了大量的化学硝基甲烷，在Schmidt反应中代替了叠氮化物，充当了氮的供体。该方案进一步扩大了底物的范围，以用于制备酰胺和腈的炔烃和简单的烷基苯。

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