向国庆献礼？国内学者在Nature、Science上大爆发！

youyoucao 3年前 (2021-10-01) 2701浏览

9月份国内学者收获颇丰，总计收入5篇Nature、Science。而在10月1日，又有3篇国内的Science上线。特别的，中科院天津工业生物技术研究所马延和团队实现人工合成淀粉零突破，引起了全网轰动，国内各大官方主流媒体纷纷报道。

本篇文章为大家梳理了9月份材料、化学领域NS发文情况。相关成果已收录入材料人最新上线产品库。

NATURE

1. 高鸿钧&汪自强Nature：揭秘钒基Kagome金属中相关电子态和超导性的微观起源

中国科学院物理研究所高鸿钧教授，美国波士顿学院汪自强教授联合报道了使用扫描隧道显微镜/光谱(STM/STS)和约瑟夫森STS在CsV3Sb5中观察到的非常规超导性和对密度波 (PDW)。研究发现，CsV3Sb5具有V型对隙Δ~0.5 meV，是一种强耦合超导体(2∆/kBTc~5)，与 4a0 单向和 2a0×2a0 电荷顺序共存。值得注意的是，作者发现一个3Q PDW伴随着超导间隙、相干峰和隧穿电导间隙深度的双向4a0/3空间调制。本工作将这种新的量子态称为与底层涡旋-反涡旋晶格相关的roton-PDW，它可以解释观测到的电导调制。研究结果显示出与高温铜酸盐超导体现象的惊人相似和区别，并为理解钒基Kagome金属中相关电子态和超导性的微观起源提供了基础。该文章近日以题为“Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor”发表在知名顶刊Nature上。

文献链接：Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor (Nature2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03983-5)

2. Nature：电荷复合对有机太阳电池中三重态激子的作用

非富勒烯受体（NFA）在有机太阳能电池中的应用使其功率转换效率高达18%。然而，有机太阳能电池的效率仍然低于无机太阳能电池，后者的功率转换效率通常超过20%。造成这种差异的一个关键原因是有机太阳能电池由于非辐射复合，相对于它们的光学带隙具有较低的开路电压。为了使有机太阳能电池在效率上超过无机太阳能电池，必须识别和抑制非辐射损耗途径。

来自剑桥大学，蒙斯大学，加州大学圣巴巴拉分校的科研团队发现在大多数使用NFA的有机太阳能电池中，开路条件下的大部分电荷复合是通过形成非发射的NFA三重态激子进行的；在基准PM6:Y6混合物中这一比例达到90%，从而使开路电压降低60mV。本文通过设计NFA三重态激子和自旋三重态电荷转移激子之间的实质性杂交来阻止通过这种无辐射通道的复合。模型表明，从自旋三重态电荷转移激子到分子三重态激子的背电荷转移速率可以降低一个数量级，使自旋三重态电荷转移激子重新解离。本文展示了抑制三重态激子形成的NFA系统。这项工作为太阳能电池的设计提供了一条途径，其能量转换效率可达20%或更高。相关工作以题为“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells”的文章在《Nature》发表。

文献链接：The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells (Nature2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03840-5)

3. 斯坦福大学Nature:层状钙钛矿异质结的定向自组装

美国斯坦福大学Hemamala I. Karunadasa教授（通讯作者）展示了一种在水溶液中将层状钙钛矿-非钙钛矿异质结自组装成大单晶的合成策略。使用双功能有机分子作为导向基团，作者分离出了六层异质结，其形状为具有不同无机晶格的钙钛矿板的交错，这也是以前未知的钙钛矿晶体。在许多情况下，这些共生晶格是典型无机结构类型的二维同系物。研究表明，这些化合物是第一个使用有机模板形成的层状钙钛矿异质结，并通过单晶X射线衍射表征得到验证。值得注意的是，这种无机结构的交错可以显著改变能带结构。光学数据和第一性原理计算表明，钙钛矿和共生层之间的实质性耦合，导致分布在两个亚晶格上的新电子跃迁。鉴于卤化物钙钛矿的技术前景，这种直观的合成路线为在水中自组装，从而定向合成结构丰富的复杂半导体奠定了基础。相关研究成果以“Directed assembly of layered perovskite heterostructures as single crystals”为题发表在Nature上。

文献链接：“Directed assembly of layered perovskite heterostructures as single crystals”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03774-y)

4. 背靠背Nature：菱方石墨烯的超导性和铁磁性

在二维材料器件中通过电场效应获得超导性是纳米电子学孜孜以求的中心目标。近年来频繁在Nature、Science上发文的曹原，其对石墨烯摩尔异质结构研究所取得的一大突破正是在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，从而可实现绝缘体到超导体的转变。然而，这类石墨烯异质结构目前面临着一个重大的难题，那就是特定的旋转角度使得整个材料的制备非常困难，所得材料也不能稳定存在，这些都为材料的进一步发展带来了极大的挑战。

在这样的研究背景下，美国加州大学圣芭芭拉分校的Andrea F. Young（通讯作者）课题组近期在同一天以“unedited manuscript”的形式于Nature上背靠背发表了两篇关于菱方三层石墨烯的最新研究文章，这些研究发现菱方石墨烯具有非凡的超导性和铁磁性，大大开拓了石墨烯材料应用可能。两篇论文的第一作者周昊欣，其中一篇文章的共同第一作者为Tian Xie，2021年9月1日，研究成果分别以题为“Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene”和“Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene”发布在Nature上。

文献链接：Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03926-0.

作者在同位旋对称性破缺转变（isospin symmetry breaking transition）的尖端（cusp）发现，菱方三层石墨烯（RTG）具有超导性。RTG是一种结构亚稳态的碳同素异形体，而超导发生在两个不同的栅极调谐区（SC1 和 SC2），符合由平均自由程和超导相干长度之比的定义。通过量子振荡对正常状态费米表面的映射表明，两个超导体都从环形费米海中出现。尽管SC1 从顺磁正常状态出现，而 SC2 从自旋极化、谷非极化的半金属状态出现，并且打破了面内磁场的泡利极限至少一个数量级。作者依照多种机制包括声子介导配对等，对实验结果进行讨论，以此来检验这类关于超导性的竞争性理论模型，同时也实现了一类基于相关电子现象和弹道电子输运的新型场效应受控电子器件。

作者聚焦在以“ABC”方式菱方堆叠石墨烯三层上，发现菱方三层石墨烯中的范霍夫奇点能够驱动电子系统自发铁磁极化转变成一个或多个自旋/谷模式。利用容量和输运测量，作者观测了一系列相间的密度/电子取代场调谐转变，在这些相中量子震荡具有4倍、2倍或者1倍简并度，分别与自旋/谷简并正常态金属、自旋极化“半金属”以及自旋/谷极化“四分之一金属”。对于电子掺杂来说，突出数据被包含了谷-各向异性相互作用的现象学斯通纳模型所捕捉；而对于空穴填充来说，作者在费米表面拓扑上观察到了更加丰富的相图及其转变。最后，作者利用旋转对齐六方氮化硼衬底引入了摩尔超晶格，并展示了菱方石墨烯作为多体理论可控测试的理想平台的潜力，揭示了摩尔材料中的磁性。

文献链接：Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03938-w.

5. 纽约大学/芝加哥大学Nature:无机中空微胶囊实现活细胞的基本功能

美国纽约大学Stefano Sacanna和芝加哥大学William T. M. Irvine（共同通讯作者）设计，构建和测试了无机细胞模拟物，包括具有完全可调尺寸的单通道胶囊，可控微米和亚微米尺度跨膜的非平衡质量传输，可以通过简单的全局变量（照明和pH）脱离平衡，以捕获，浓缩，存储和传递通用的微观有效载荷。具体来讲，包括三个关键组成部分：半透膜，自发“膨胀”的结果；用于物质交换的明确微孔；一个由光激活的内部泳动泵。本文的设计没有借用生物学材料，而是使用空心胶体作为球形细胞膜模拟物，具有明确定义的单个微孔。其中，精确可调的单分散胶囊是自膨胀机制的结果，可以批量生产。在中空结构内部，光开关催化剂能够产生化学梯度，通过膜的微孔传播到外部，并将目标物体泵入细胞。由微孔的几何形状产生的熵能垒，即使在切换催化剂时也能保留。本文的发现为开发下一代智能材料，自主微机械和人工细胞模拟物提供了蓝图。相关研究成果以“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”为题发表在Nature上。

文献链接：“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03774-y

 
6. 复旦彭慧胜团队年度再发Nature：穿在身上的纤维锂离子电池

在复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员（共同通讯作者）团队带领下，研究了这种纤维的内阻与纤维长度呈双曲余切函数关系，随着纤维长度的增加，内阻先减小后趋于均匀。研究证实，这种意想不到的结果适用于不同的纤维电池。通过优化可扩展的工业流程，能够生产数米的高性能纤维锂离子电池。根据包装在内的钴酸锂/石墨全电池的总重量，大规模生产的纤维电池的能量密度为每公斤85.69Wh（典型值小于每公斤1Wh）。经过500次充放电循环后，其容量保持率达到90.5%，1C倍率下的容量保持率达到93% （与0.1C倍率容量相比），可与软包电池等商业电池相媲美。纤维弯曲10万次后，可保持80%以上的容量。团队还展示了工业剑杆织机将纤维锂离子电池编织到安全且可清洗的纺织品中，可以为手机无线充电，或为集成了纤维传感器和纺织品显示器的健康管理夹克供电。相关成果以题为“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”发表在了Nature。

文献链接：Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03772-0）

SCIENCE

1. 中科院天津工业生物技术研究所Science：人工合成淀粉实现零突

中科院天津工业生物技术研究所马延和团队以二氧化碳和氢作为原料，采用一种类似“搭积木”的原理，通过耦合、化学催化和生物催化模块体系，通过11步反应实现了二氧化碳到淀粉的转化。在化学酶系统中，人工淀粉合成途径（ASAP）在氢的驱动下，二氧化碳会以每分钟22 nM的速度转化为淀粉，比玉米中合成淀粉的速度高约8.5倍。这一途径为今后利用CO2合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。相关成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表在了Science上。

本工作采用一种类似“搭积木”的方式，通过模块化组装和替换的策略，利用化学催化剂将高浓度CO2在高密度氢能环境下还原为一碳（C1）化合物；然后根据化学聚糖反应原理设计了碳一聚合新酶，将一碳化合物聚合成三碳（C3）化合物；最后通过优化生物途径，将三碳化合物聚合成六碳（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物），共计11步反应实现了二氧化碳到淀粉的转化。与此同时，本工作还通过对31个生物体的62种酶的11个模块进行组装和替换，建立了以甲醇为起始原料的10个酶促反应的人工淀粉合成途径(ASAP) 1.0。通过同位素13C标记实验检测ASAP 1.0的主要中间体和目标产物，验证其对甲醇合成淀粉的全部功能。

论文doi：https://doi.org/10.1126/science.abh4049

2. 加州大学孟颖团队Science:硅基电池新突破！硫化物固态电解质助力高载量无碳纯硅全电池

美国加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng（孟颖）教授和陈政博士（共同通讯作者）通过使用硫化物固态电解质的界面钝化特性实现了质量分数为99.9的无碳纯硅负极稳定循环。与传统的液态电池结构不同，SSE不渗透多孔μSi电极，并且SSE和μSi电极之间的界面接触面积减少到二维（2D）平面。在μSi锂化后，尽管体积膨胀，但二维平面仍被保留，从而防止了新界面的产生。研究表明，体相μSi表现出3×10-5 S cm-1的电子电导率，与最常见的正极材料（10-6至10-4 S cm-1）相当，因此不需要额外的碳添加剂。在μSi的锂化过程中，Li-Si的形成可以在整个电极中传播，这得益于Li-Si和μSi颗粒之间的直接离子和电子接触。体相和表面表征以及界面成分的量化表明，这种策略消除了连续的界面生长和不可逆的锂损失。同时，这个过程是高度可逆的，不需要任何过量的锂。此外，由99.9wt% μSi组成的μSi||SSE||NCM811全电池在载量为11 mAh cm-2和电流密度5 mA cm-2的情况下，实现了在-20°C和80°C之间的稳定运行，在5 mA cm-2下的稳定循环500次后可提供80%的容量保持率，从而证明了ASSB实现的μSi负极的整体循环稳定性。性能优异的原因可归因于微米级硅和硫化物电解质之间理想的界面性能以及锂硅合金的独特化学机械行为。相关研究成果以“Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes”为题发表在Science上。

文献链接：“Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes”(Science，2021，10.1126/science.abg7217 )

3. 金属所卢磊Science：高强塑梯度纳米位错结构高熵合金

多主元高熵合金的强度提高往往伴随塑性的降低，这种强塑性相互矛盾主要来源于金属材料的塑性变形机理。即材料中的线缺陷，如位错的运动贡献塑性，但位错的堆垛与塞积则贡献强度。近期，金属所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队与美国田纳西大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室的科学家合作在这一科学难题研究方面取得重要进展。研究人员通过小角度往复扭转梯度塑性变形技术，在Al0.1CoCrFeNi高熵合金中引入梯度位错胞稳定结构，同时保持其原始晶粒的形貌、尺寸和取向不变。拉伸力学测试结果表明：这种新型结构不仅显著提高材料屈服强度，是粗晶和细晶材料的2-3倍。同时还使其保持良好的塑性和稳定均匀的加工硬化。其强塑积-屈服强度匹配明显优于文献报道中相同成分的均匀或梯度结构材料。对变形机理的研究结果表明：从材料的顶部表面到心部，合金在变形过程中存在显著的连续硬化。这种硬化特性与梯度纳米晶常规金属的变形诱导连续软化的机制有很大的不同。高熵合金中梯度位错结构在塑性变形过程中激活了不全位错--层错的相互作用，从而诱导塑性变形机制。在变形初期，纳米级别的细小层错从位错胞壁形核、然后不断滑移并扩展，其密度随拉伸应变增加而增加，逐渐演变成超高密度三维层错（和少量孪晶界）网格，直至布满整个晶粒。超高密度细小层错/孪晶的形成与位错相互作用，协调变形。一方面有效促进了其塑性变形并进一步细化初始位错结构、阻碍其它缺陷运动而贡献强度。另一方面，层错和孪晶的形成阻碍了位错的平均自由程，增加了合金内部缺陷的密度，从而导致合计超级的加工硬化，提高了整体的塑性变形。相关研究结果于9月23日在《科学》（Science）周刊上以First Release形式在线发布。

论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abj8114.

4. Science：通过抑制欠掺杂YBa2Cu3O7-δ中的电荷密度波恢复奇异金属相

查尔默斯理工大学Riccardo Arpaia、Floriana Lombardi团队利用其单胞在衬底诱导的强应变下的几何修饰调谐铜酸盐材料YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜中的基态来探究CDW与T线性行为偏离之间的关系。本工作发现，当抑制共振非弹性x射线散射检测到的CDW振幅时，高应变、超薄、欠掺杂的YBa2Cu3O7-δ薄膜的T线性电阻率得到恢复。这一发现暗示了欠掺杂铜酸盐中CDWs的出现与T线电阻率的偏离密切相关。本工作的结果说明了使用应变控制来操纵量子材料基态的潜力。相关成果以题为“Restored strange metal phase through suppression of charge density waves in underdoped YBa2Cu3O7–δ”发表在了Science上。

论文doi：https://doi.org/10.1126/science.abc8372

5. Science封面：低温锻造纳米孪晶钛以实现超高强度和延展性
 
加州大学伯克利分校、北京航空航天大学赵士腾团队报道了一种低温锻造加工技术，可以在纯Ti (质量分数为99.95% Ti和0.05% O)中生成有层次结构的纳米孪晶。由于O会抑制Ti中的孪晶，因此作者选择超低O含量(低于商用纯Ti )来促进孪生倾向，从而实现了超高的强度和延展性。多尺度纳米孪晶Ti的热稳定性高达873开尔文（远高于纯Ti的77开尔文），因此可应用于绝大多数的极端环境中。作者发现，液氮温度下大量孪晶强化了加工硬化能力，说明纳米孪晶Ti在较高应变速率下会表现出较高的抗冲击性能。由于丰富的纳米孪晶边界为沟道点缺陷提供了高密度的界面，从而阻止了空洞的形成纳米孪晶Ti，因此还具有良好的抗辐射损伤能力。本工作使用经济效益更高的方法在纯Ti中诱导合成了纳米孪晶，实现了超高的强度、热稳定性和延展性。相关成果以题为“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”发表在了Science上，并被选为Science封面。

论文doi：https://doi.org/10.1126/science.abe7252

6. 段镶锋/黄昱夫妇联手Science：突破微生物燃料电池的极限

加州大学洛杉矶分校的段镶锋/黄昱夫妇联合报告了一个合理的策略，以促进用还原氧化石墨烯-银纳米颗粒（rGO/Ag）支架构建的希瓦氏菌MFCs的跨膜和细胞外电子传输过程。由此产生的希瓦氏菌-银MFC可提供的最大电流密度为3.85 mA/cm2，功率密度为0.66 mW/cm2，单细胞周转频率为8.6×105/s，这些都是迄今为止报告的性能最好的MFC。此外，混合MFC具有出色的燃料利用效率，库仑效率为81%。该文章近日以题为“Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells”发表在知名顶刊Science上。

文献链接：Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells(Science 2021, doi: 10.1126/science.abf3427)

7. Science:铁基超导中发现介观向列波

日本理化学研究所T. Shimojima（同时也为共同第一作者）和东京大学的S. Shin（共同通讯作者）等人在低温激光-光电子显微镜中，利用线性二色性（LD）绘制了非磁性FeSe和反铁磁性BaFe2 (As0.87P0.13)2这两种铁基超导体的向列序参量。研究发现，与具有原子级畴壁的结构域不同，上述两种材料的LD图案都显示出了独特的电子向列性正弦波，并且波长比晶胞高出1000倍以上。作者认为，这一发现对于电子向列性的理论研究来说意义重大。东京大学的Y. Motoyui为共同第一作者，2021年09月03日，相关成果以题为“Discovery of mesoscopic nematicity wave in iron-based superconductors”的文章在线发表在Science上。

文献链接：Discovery of mesoscopic nematicity wave in iron-based superconductors（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abd6701）

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