两周3篇NS正刊！—浙大2021年NS正刊汇总

【引言】

本月6日和7日，Nature和Science先后分别在线发表了以浙江大学为第一单位的最新研究成果，这是2021年以来浙大在顶刊发文方面取得的又一佳绩。在这里，我们汇总了2021年浙大在Nature、Science正刊的发文情况（以材料和化学为主，且浙大为第一单位），看看浙大在哪些领域取得了重大的突破。

Science：石墨烯氧化物纤维的可逆融合和裂变

融合和裂变行为在生物学、化学工程和理论物理学中得到了广泛的研究，以了解细胞过程，发展人工组装的形貌事件，并创建多金属化合物。脂质/表面活性剂/小分子有机物/聚合物胶束和囊泡的融合和裂变通常是通过引入盐类、表面活性剂、离子、氧化剂和还原剂或应用紫外线和可见光来改变双层膜内的相互作用，以及通过溶解添加剂，如糖类来改变囊泡内部的水与膜之间的渗透压而触发的。金属颗粒和团簇的类似行为也是由热或团簇沉积引起的。尽管在人工囊泡和纳米颗粒的融合-裂变方面已经取得了进展，但可逆的融合和裂变仍然难以实现，这主要是因为各个组合体之间的界面存在不可逆的物理或化学变化。对可逆和可控的融合和裂变的探索将激发刺激响应材料的发展，这显示了在开发可定制纤维状子结构的动态可变形系统和结构材料方面的前景。

GO纤维的可逆融合和裂变

在浙江大学高超、Zheng Li和西安交通大学刘益伦（共同通讯作者）团队等人带领下，提出了一种溶剂触发的形貌调控策略来实现可逆的融合和裂变。选择石墨烯氧化物（GO）纤维作为模型，因为它具有二维（2D）拓扑结构、丰富的化学分子、超柔性和自粘接能力。在膨胀后，湿法纺丝的GO纤维具有一个外壳（最外层），限制了内部GO薄片的运动，并显示出溶剂触发的大体积变化和弹性变形能力。在水和极性有机溶剂的刺激下，纤维壳的形貌通过膨胀和溶胀在皱褶的管状状态和扩展的圆柱状状态之间可逆地切换，从而引起瞬时的纤维界面，导致任意数量的GO纤维的循环自融合和自裂变。在每个循环中，GO纤维的数量、大小、组成、结构和性能在裂变后都得到了恢复，显示了融合和裂变的精确可逆性。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6542/614.full

课题组介绍

高超教授，浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长，主要从事石墨烯化学与组装等方面的研究。在Sci. Adv.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI收录文章180余篇，他引10000余次。主要学术成果包括提出并实现了连续石墨烯纤维、推动了石墨烯纤维的应用发展；提出“三高三连续”设计原则，研制出全天候超快长循环铝-石墨烯电池。由其领衔的浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子课题组，目前建有石墨烯组装、石墨烯复合材料、新能源材料 3个实验室。

刘益伦，教授，博导，国家级青年人才、西安交通大学青年拔尖人才，西安交通大学航天航空学院工程力学系主任。刘教授先后在清华大学（本科、博士）和美国哥伦比亚大学（博士后）学习和工作。目前的研究兴趣在智能材料和结构（如软机器、柔性电子器件和智能纳米材料）的多尺度多场耦合力学行为。

Nature：揭秘黑砷中自旋轨道耦合与斯塔克效应的协同作用

作为电子携带的基本物理量，自旋具有不稳定的特性，其受到外力作用（散射）就会反转旋转的方向。而重元素二维材料体系使得电子自旋的高速精准控制成为可能。电子在晶体周期性势场中的轨道运动会受到重原子对其强烈的吸引，在对称性破缺的情况下产生自旋和运动方向的严格锁定关系，即自旋轨道耦合效应。因此，如何操控自旋，研制速度更快、能耗更低的电子器件是人们一直追求的目标。

Rashba和Stark效应的协同作用

浙江大学郑毅研究员，许祝安教授联合中南大学夏庆林副教授（共同通讯作者）报道了中心对称的薄层黑砷中自旋轨道耦合（SOC）和斯塔克（Stark）效应之间的协同效应，表现为粒子-孔不对称的拉什巴（Rashba）效应和由静电门控可逆控制的量子霍尔态。这些不寻常的缺陷源于黑砷的弯曲正方形晶格，其中4p轨道形成一个具有P_z对称的以布里渊区为中心的Γ谷，在X点的时间恢复不变动量附近与P_x起源的D谷共存。当垂直电场破坏了结构反转对称时，P_x带激活强拉什巴SOC，产生自旋谷有利的D^±谷，而Γ谷的拉什巴分裂受到P_z对称的限制。有趣的是，巨大的斯塔克效应表现出相同的P_x轨道选择性。这种协调能够实现对二维空穴气体的可调的拉什巴谷，对高效率、低能耗自旋电子器件研制提供坚实基础，对进一步加深量子霍尔现象的理解，以及依托拓扑超导器件的量子计算研究具有积极意义。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03449-8

课题组介绍

郑毅研究员本科和硕士均毕业于浙江大学，博士毕业于新加坡国立大学，随后继续于新加坡国立大学从事博士后工作，曾是新加坡国立大学的资深博士后和浙江大学的特聘百人研究员。其所在的课题组主要的研究兴趣包括：材料的物性调控与量子霍尔效应、铁磁及铁电材料的机理探索、拓扑量子材料等。已在Nature、Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表文章超过40篇。

许祝安教授现任浙江大学物理系博士生导师、凝聚态物理所所长，主要从事非常规超导电性，量子调控和拓扑量子材料研究。目前承担国家自然科学基金和科技部973项目等多项。近年来主要的研究聚焦于铁基超导体,拓扑半金属和量子相变等研究。已发表Nature、Science、PRL 等250余篇SCI文章, 多篇论文入选ESI高引论文。2014年起担任科技部973项目(重大科学研究计划)首席科学家。

夏庆林，博士，副教授，硕士生导师。湖南师范大学物理系物理教育专业本科、凝聚态物理专业硕士，中南大学粉末冶金国家重点实验室材料学博士。2000年6月至今，在中南大学物理与电子学院应用物理系工作。其主要科研方向为新型二维材料（黑磷等）制备及物性实验研究、二维材料物性第一性原理理论计算研究、磁性材料制备及性质研究。

Science：孤立的硼助力丙烷脱氢反应

丙烷的有氧脱氢（ODHP）是从页岩气生产丙烯的关键技术，但传统的金属氧化物催化剂在这一过程中常常倾向于过度形成价值不高的碳氧化合物，导致催化剂的选择性不足。近年来，研究发现氮化硼等硼基催化剂在丙烷有氧脱氢中展现出了优良的选择性。然而，这类催化剂的催化活性和抗水稳定性很难满足实际需求，同时学界也一致认为其催化活性来自于多个硼中心，这些都阻碍着硼基催化剂的进一步发展。

催化丙烷制丙烯的过程及其表征

近期，中科院武汉物理与数学研究所的郑安民和浙江大学的孟祥举、王亮以及肖丰收（共同通讯作者）等人联合研发了新型催化剂，在丙烷有氧脱氢中展示出了高活性和高选择性的特点。研究人员发现，在硼硅酸盐沸石分子筛中硼周围的硅氧物种会与之配位，形成孤立的硼。这种硼中心具有硼双羟基结构，并与邻近的双硅羟基形成–B[OH…O(H)–Si]₂配位。在丙烷脱氢反应中，硼双羟基与其中一个硅羟基协同活化丙烷和氧气，从而形成稳定的中间体并在随后转化为丙烯，这一反应能垒优于单硼羟基结构，因此该催化剂的催化性能显著提升。此外，Si-O-B键在反应过程中会发生可逆水解-缩合，能够有效抑制分子筛的脱硼形成硼酸，提高了催化剂的稳定性。这一研究打破了对硼基催化剂的传统认知，为丙烷有氧脱氢制丙烯的工业化提供了新的思路。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6537/76

课题组介绍

孟祥举、王亮所在课题组为催化材料研究室，该室由肖丰收教授领衔。肖丰收，1979-1983年在吉林大学获得理学学士学位；1983-1986年在吉林大学获得理学硕士学位；1986-1990年获得理学博士学位(吉林大学、大连化物所以及日本北海道大学联合培养)。至2009年任吉林大学教授，2009年-至今任浙江大学教授。他于1998年获国家杰出青年，目前已发表科技论文400余篇。

郑安民，博士，研究员，2005年于中国科学院武汉物理与数学研究所获博士学位。2012年晋升为研究员。研究方向集中于：固体催化材料的结构和反应性能之间的构效关系。在Angew、JACS等国际重要期刊上发表SCI论文50余篇。

Nature：软机器探索马里亚纳海沟

由于难以探索，深海一直是地球上最大的未知区域。在深海中，人造机器若没有刚性容器以及压力补偿系统，极端的高压就会破坏机器的电子设备。然而，在深海中生活的生物没有这类耐压系统，却依旧能够凭借奇特的构造而在深海里安然无恙地生活。

聚合物包载电子器件的压力测试

浙江大学的李铁风教授（通讯作者）团队联合之江实验室，发现深海狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中，有助于其在高压环境下的生存与活动。受此启发，研究将控制电路、电池等硬质器件融入集成到凝胶状的软体机身中；通过设计调节器件和软体的材料与结构，实现了机器人的无耐压外壳的耐压性能，可以承受万米级别的深海静水压力。合作研制了能适应深海低温、高压等极端环境的电驱动人工肌肉，在高压低温环境下依然能保持良好电驱动性能，即便是在马里亚纳海沟的低温（0~4℃）、高压环境（110 MPa）下依旧能正常工作。这种环境自适应的仿生软体机器人和智能系统，将为深海探索科考、环境监测与资源勘探提供解决方案，为复杂环境与任务下机器人及智能系统设计提供新思路。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z

课题组介绍

李铁风，浙江大学教授、国家优秀青年基金获得者。2012年-至今在浙江大学交叉力学中心工作，负责软体机器人与智能系统实验室。主要研究软物质力学，智能材料结构设计、软体机器人等，提出通过控制力电失稳实现极大电致变形的驱动理论。已发表Nature封面论文、Sci. Adv.等文章。获科学探索奖（前沿交叉领域）、麻省理工科技评论的科技创新35人（MIT TR35-China）等荣誉。

Science：有原子级精度的催化活性界面操纵

金属催化剂和载体之间的界面在异质催化中扮演着重要的角色。而在反应条件下测定异质催化剂的变化，对于机制理解来说也是非常关键的。在反应条件下，不仅金属纳米颗粒的形状被改变，他们与氧化物载体之间的相互作用也会被影响。

通过温度和气氛改变调控金-二氧化钛界面结构

浙江大学的王勇、中科院上海高研院的高嶷以及丹麦技术大学的Jakob B. Wagner、Thomas W. Hansen（共同通讯作者）合作利用球差校正（aberration-corrected）环境透射显微学的方法研究了低电子束剂量下金纳米颗粒和二氧化钛载体之间的界面状况。直接的原子尺度观测显示，在一氧化碳氧化过程中（总压力为几个毫巴，温度为500摄氏度），金纳米颗粒会旋转10度左右，并在一氧化碳被移除时又恢复到初始位置，同时也发现金纳米颗粒外延旋转和金-二氧化钛界面原子结构之间具有相关关系。DFT计算表明，金属纳米颗粒的旋转是由界面处吸附分子氧的覆盖变化所引起的。进一步地，利用可逆可控旋转，研究还通过改变气氛和温度实现了对活性金-二氧化钛界面的原位操纵。这些成果均表明在运行条件下实时设计催化界面是可行的。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6528/517

课题组介绍

王勇，浙江大学材料学院教授，在中科院物理研究所获得博士学位后，先后在澳大利亚昆士兰大学和加州大学洛杉矶分校担任博士后、ARC项目研究员和访问学者。其目前主要从事服役环境中催化材料显微结构与性能的研究。其在加入浙大材料学院后，作为负责人获得浙江省杰出青年基金，国家自然科学基金委重大项目子课题，重大研究计划培育项目，面上项目和教育部博士点基金。2013年获香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”，2020年获国家杰出青年基金。

高嶷，研究员。他一直在南京大学就读，分别获得南京大学学士（1997年）和博士学位（2002年）。随后他前往香港科技大学和美国内布拉斯加大学林肯分校从事博后研究。2012年起他先后担任中科院上海应用物理研究所担任研究员、中科院上海高等研究院研究员。主要进行理论化学、表面化学及能源材料的新理论和新模型的发展和应用，系统研究纳米材料结构、性质及应用，提出配体金纳米团簇结构的“全统一模型”。近年来聚焦于复杂体系的理论研究，提出真实反应环境中“动态界面”思想，独立发展真实体系原位模拟的多尺度实时理论模拟方法。共发表学术论文150余篇，包括Science、Nature Catalysis、Nature Commun、Science Adv。

Science：控制界面超导性

利用电场控制超导性不论是对于基础研究还是未来应用都是极具吸引力的。而与半导体场效应管类似，超导体的二维载流子密度n_2D能够通过外源的栅电压（gating voltage V_G）来进行调控。然而，对于大多数超导体来说，n_2D值都非常高且远超过典型电选通的容量（~10¹⁴ cm⁻²或更低），使得控制超导性成为了巨大的挑战。

LAO/KTO(111)器件的表征

中科院物理所的Jirong Sun、Yi Zhou和浙江大学谢燕武（共同通讯作者）团队利用LaAlO₃和 KTaO₃(111)（LAO/KTO(111)）之间的氧化物界面可展现出超导态这一现象，通过施加穿过KTaO₃的V_G，来实现从超导到绝缘态的连续调控，同时还产生了圆顶型T_c-V_G相关性（为转变温度）。研究显示，电选通对载流子密度作用较小，但对迁移具有比较大的影响。研究认为这一对迁移行为调控主要是由于载流子在界面的空间状态发生变化，即产生“有效的无序性”。这一工作表明LaAlO₃/ KTaO₃(111)可作为理想平台，以探索无序二维超导体中的丰富物理现象。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6543/721

课题组介绍

谢燕武，浙江大学物理系博士生导师、百人计划研究员。他所领导的氧化物界面实验研究小组关注于复杂氧化物界面新奇的量子演生现象。该小组通过在原子级尺度上制备高质量的各种氧化物薄膜和人工异质结构及其衍生器件，在超低温和强磁场环境下探索它们的电输运相关物理性质。目前，他已在Science、PRL、Nature Communications等国际顶级期刊发表文章。

孙继荣，中国科学院理研究所研究员。1982年毕业于吉林大学物理系，1989年获中国科学院物理研究所理学博士学位，1999年晋升为研究员。2002年国家杰出青年基金获得者。他所领导的课题组率先发现庞磁电阻体系中多个电/磁相共存，揭示了相分离和庞磁电阻效应之间的密切关联。基于自身设计的具有磁场依赖整流特性的氧化物p-n结，他还发现了新颖的结磁电阻效应以及光伏特效应。

周毅，中国科学院物理所研究员。1998年-2004年，在清华大学先后获得学士学位（物理系）和博士学位（清华大学高等研究院）。曾在德国马克斯-普朗克研究所、香港科技大学、香港大学、香港中文大学做博士后研究。2009年加入浙江大学，2013年起担任浙江大学教授。2019年加入中科院物理所。主要研究方向为理论凝聚态物理。

本文由NanoCJ供稿。

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