梳理：2019年國內第一單位在NS上發表的材料類文章

2019年，國內高校以第一單位在Nature和Science上共發表了材料相關的39篇文章。我們通過對這39篇文章進行的分析和統計，得出了以下系統的總結。

各大高校2019年度的NS表現

在這39篇文章中，中國科學院以8篇位列第一；北京大學4篇緊隨其后；浙江大學、南京大學、西安交通大學和復旦大學以3篇并列第三；上海交通大學、中國科學技術大學和南開大學以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

在諸如波導，激光器的現代光子設備中，將光子限制在有限的體積中是非常需要的。幾十年前，這激發了光子晶體的研究和應用，光子晶體具有光子帶隙，該光子帶隙禁止光在所有方向上傳播。最近，受拓撲絕緣體發現的啟發，具有拓撲保護功能的光子禁閉已經在稱為光子拓撲絕緣體的二維（2D）光子結構中得到證明，在拓撲激光器和穩健的光學延遲線上具有廣闊的應用前景。但是，尚未實現完整的三維（3D）拓撲光子帶隙。在這個工作中，作者通過實驗演示了具有極寬3D拓撲帶隙的3D光子拓撲絕緣體。該復合材料由具有強磁電耦合的開口環諧振器組成，其行為類似于“弱”拓撲絕緣體或2D量子自旋霍爾絕緣體的堆疊。使用直接場測量，作者繪制出帶隙的體帶結構和光子表面態的狄拉克樣色散，并展示了沿非平面表面的穩健光子傳播。這個工作將3D拓撲絕緣體的范圍從費米子擴展到玻色子，并為在3D幾何形狀的拓撲光子腔，電路和激光器中的應用鋪平了道路。

2.Catalogue of topological electronic materials

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

諸如硒化鉍，砷化鉭和鉍化鈉之類的拓撲電子材料在整體中顯示出非常規的線性響應，并且在其邊界處顯示出異常的無間隙狀態。它們具有基礎性和應用性，具有在高性能電子學和量子計算中使用的潛力。但是到目前為止，由于難以計算拓撲不變性質而阻礙了它們的檢測，這既需要材料方面的經驗，又需要具有先進理論工具的專業知識。在這里，作者介紹了一種有效、高效且全自動的算法，該算法可診斷大部分非磁性材料中的非平凡帶形拓撲。這個算法基于最近開發的占用帶的對稱表示與拓撲不變量之間的窮舉映射。作者瀏覽了晶體數據庫中總共39,519種材料，發現其中多達8,056種在拓撲上是無關緊要的。所有結果都可以在具有交互式用戶界面的數據庫中使用和搜索。

3.Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators

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

在過去的十年中，拓撲材料引起了人們的極大關注。盡管已通過實驗確認了幾種理論上提出的拓撲材料，但由于缺乏拓撲材料而無法對瑣碎的費米表面態的干擾降到最低，因此對拓撲性質的廣泛實驗探索以及在實際設備中的應用受到了限制。在這里，作者將對稱性指標的方法應用于所有230個可能空間組中的所有合適的非磁性化合物。數據庫搜索顯示成千上萬種候選拓撲材料，其中突出顯示了241個拓撲絕緣體和142個拓撲晶體絕緣體，它們要么具有明顯的全帶隙，要么具有明顯的直接間隙以及小的瑣碎的費米腔。此外，作者列出了692個拓撲半金屬，它們的帶交點位于費米能級附近。這些候選材料開辟了在下一代電子設備中使用拓撲材料的可能性。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav3057

壓電材料在受力時會產生電能，因此非常適合不同類型的傳感應用。最有效的壓電材料是陶瓷固溶體，其中壓電效應在所謂的同相相界（MPB）上得到了優化。陶瓷由于其某些機械性能而不適用于多種應用。作者從分子鈣鈦礦(TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃固溶體合成了壓電材料，其中MPB存在于單斜相和六方相之間。作者發現，與高性能壓電陶瓷相比，其壓電系數d₃₃為?1540。該材料在可穿戴壓電裝置中具有潛在的應用。

5.Colossal barocaloric effects in plastic crystals

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

制冷對于現代社會（例如對于食品存儲和空調）至關重要，而制冷則消耗了全球25％至30％的電力。當前的制冷技術主要涉及常規的蒸氣壓縮循環，但是由于其巨大的全球變暖潛力，該技術中使用的材料越來越引起環境關注。作為一種有前途的替代方法，近幾十年來，基于固態熱量效應的制冷技術一直受到關注。然而，由于等溫熵變小和驅動磁場大，它們的應用受到當前熱量材料性能有限的限制。在這里，作者報道了在稱為塑料晶體的一類無序固體中，巨大的壓力效應（CBCE）。在室溫附近，在代表性的塑料晶體新戊二醇中獲得的熵變化為每千克每開爾文約389焦耳。依賴于壓力的中子散射測量表明，塑料晶體中的CBCE可以歸因于這些材料廣泛的分子取向無序，巨大的可壓縮性和高度非諧晶格動力學。這個研究建立了塑料晶體中CBCEs的微觀機理，并為下一代固態制冷技術鋪平了道路。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aau5321

納米多孔二維材料對離子和分子納濾具有吸引力，但受到大面積機械強度不足的限制。文章報告了一種具有出色機械強度的大面積石墨烯-納米碳納米管/單壁碳納米管（GNM/SWNT）混合膜，同時充分捕捉了原子薄膜的優點。單層GNM具有高密度的亞納米孔，可有效傳輸水分子，同時阻止溶質離子或分子以實現尺寸選擇分離。SWNT網絡將GNM物理分離為小島，并充當支撐GNM的微觀框架，因此確保原子薄的GNM的結構完整性。所得的GNM/SWNT膜顯示出高的水滲透性和高的鹽離子或有機分子截留率，并且在管狀模塊中保持穩定的分離性能。

7.Freestanding crystalline oxide perovskites down to the monolayer limit

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

二維（2D）材料（例如石墨烯和過渡金屬二鹵化物）揭示了將大塊晶體還原為單層時出現的電子相。過渡金屬氧化物鈣鈦礦具有各種相關的電子相，因此基于過渡金屬氧化物鈣鈦礦的單層材料的相似行為將為尚未探索的二維相關相打開大門。作者報道了具有幾乎沒有單個晶胞的高結晶質量的獨立鈣鈦礦薄膜的制造。使用最近開發的基于水溶性Sr₃Al₂O₆的方法作為犧牲緩沖層，作者通過反應分子束外延合成了獨立的SrTiO₃和BiFeO₃超薄膜，并將它們轉移到各種襯底上，特別是晶體硅晶片和多孔碳膜。當接近2D極限時，獨立的BiFeO₃薄膜表現出出乎意料的巨大四方性和極化。這個結果表明，在穩定的超薄氧化膜中，沒有穩定結晶序的臨界厚度。能夠將結晶的鈣鈦礦獨立膜合成并轉移到任何所需基材上而沒有任何厚度限制的能力，為研究二維相關相和界面現象提供了機會，而這在以前是技術上不可能的。

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

二維（2D）材料的開發為它們在電子、光電和光伏領域的應用打開了可能性，因為與傳統的基于硅的器件相比，它們可以提供更小尺寸，更高速度和更多功能的器件。為2D組件生長大型高質量單晶的能力對于2D設備的工業應用至關重要。原子層六方氮化硼（hBN）具有出色的穩定性，平坦的表面和較大的帶隙，據報道是最好的2D絕緣體。但是，二維hBN單晶的大小通常限制在小于1毫米，這主要是由于此類晶體的生長困難；這些包括過多的成核作用，從而阻止了從單個核生長到大的單晶，以及hBN晶格的三重對稱性，這導致了大多數基板上出現反平行結構域和孿晶邊界。在這里，作者報道了通過對工業銅箔進行退火獲得的低對稱銅（110）鄰面上的100平方厘米單晶hBN單層的外延生長。結構表征和理論計算表明，Cu <211>臺階邊緣與hBN鋸齒形邊緣的耦合實現了外延生長，這打破了反平行hBN域的等效性，使單向域排列優于99％。hBN域的生長動力學，單向排列和無縫縫合已使用厘米級至原子級的表征技術進行了明確證明。這個發現將促進2D器件的廣泛應用，并導致廣泛的非中心對稱2D材料的外延生長，以生產大型單晶。

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

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

自從1960年發現以來，已經開發出了基于多種元素的金屬玻璃。然而，玻璃形成成分的理論預測具有挑戰性。迄今為止，發現具有特定性能的合金很大程度上是反復試驗的結果。塊狀金屬玻璃的強度和彈性可超過常規結構合金，但這些玻璃的機械性能關鍵取決于玻璃化轉變溫度。在接近玻璃化轉變的溫度下，大塊金屬玻璃經歷塑性流動，導致準靜態強度大大降低。已經開發出玻璃化轉變溫度高于1000開爾文的大塊金屬玻璃，但是過冷的液體區域很窄，導致熱塑性成型性極低，這限制了它們的實際適用性。作者報道了銥/鎳/鉭金屬玻璃（以及其他也包含硼的金屬）的設計，其玻璃化轉變溫度高達1162開爾文，過冷液體區域為136開爾文，比大多數現有金屬玻璃更寬。與現有合金相比，Ir-Ni-Ta-（B）玻璃在高溫下表現出高強度：在1,000開爾文溫度下為3.7吉帕斯卡。它們的玻璃成型能力的特點是臨界鑄造厚度為三毫米，這表明可以通過熱塑性成型容易地獲得用于高溫或惡劣環境的小尺寸組件。為了識別感興趣的合金，我們使用了簡化的組合方法，利用了先前報道的玻璃形成能力和電阻率之間的相關性。這種方法是非破壞性的，允許隨后在同一樣本庫上測試一系列物理性質。我們的設計和發現方法的實用性，以鑒定高強度，高溫塊狀金屬玻璃為例，預示著可以發現具有令人興奮特性的其他玻璃態合金。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw2781

高性能壓電使各種機電應用中的換能器和傳感器受益。壓電電荷系數（d₃₃）最高的材料是弛豫體-PbTiO₃晶體，該晶體是二十年前發現的。作者成功地生長了摻Sm的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(Sm-PMN-PT)單晶，其d₃₃值甚至更高，范圍為每牛頓3400至4100皮庫侖，變化幅度小于生長時的20％。用掃描透射電子顯微鏡在原子尺度上表征了Sm-PMN-PT，并進行了第一性原理計算，以確定超壓電性能是由于Sm³⁺摻雜物引入的增強的局部結構異質性而產生的。因此，稀土摻雜被認為是引入局部結構異質性以增強弛豫鐵電晶體的壓電性的一般策略。

11.Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw2843

輕質鎂合金作為用于提高諸如運輸車輛重量減輕應用中的結構材料是有吸引力的。廣泛應用的一個主要障礙是鎂的延展性有限，這歸因于c+a位錯未能適應塑性應變。作者使用原位透射電子顯微鏡機械測試證明了各種特性的c+a位錯都可以適應。作者發現，亞微米級鎂樣品具有很高的可塑性，遠高于其體積較大的同類材料。小晶體尺寸通常會帶來高應力，進而激活鎂中更多的位錯以適應塑性，從而導致高強度和良好的塑性。

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

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

分層反鐵磁性是具有反鐵磁性層間耦合的鐵磁性層的空間排列。最近，范德華磁體三碘化鉻（CrI₃）以其幾層的形式出現，成為第一層分層的反鐵磁絕緣體，為新穎的器件功能開辟了充足的機會。在這個工作中，作者發現了雙層CrI₃中出現的不可逆的二階非線性光學效應。觀察到的二次諧波產生（SHG）非常大：比已知的磁化感應SHG大幾個數量級，并且與迄今為止研究的最佳2D非線性光學材料中的SHG相當。結果顯示，雖然雙層CrI₃的母體晶格是中心對稱的，因此對SHG信號無貢獻，但觀察到的不可逆SHG完全源自分層反鐵磁有序，這打破了空間反轉和時間反轉對稱性。此外，極化分辨的測量結果揭示了潛在的C2h對稱性，從而揭示了CrI₃雙層中的單斜堆積順序，為層狀反鐵磁性的微觀起源提供了關鍵的結構信息。研究結果突出了SHG作為一種高靈敏度的探針，它可以揭示細微的磁階，并打開基于2D磁體的新型非線性和不可逆光學設備的可能性。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav8680

近年來，有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池效率獲得了快速提升，但其化學穩定性差、易分解嚴重阻礙其商業化應用。相比之下，全無機CsPbI₃鈣鈦礦具有優異的化學穩定性，即使耐受400度高溫也不發生分解，并且~1.7eV帶隙的全無機CsPbI₃鈣鈦礦是和廣泛使用的~1.1eV帶隙的晶硅構建疊層太陽能電池的理想材料。但是，全無機CsPbI₃鈣鈦礦面臨結構容忍因子過小導致的體相穩定性差，鈣鈦礦材料缺陷多以及其器件能級匹配不理想引發的器件效率較低這兩大關鍵挑戰

作者基于材料晶相的精準表征與理論計算，發現β相CsPbI₃比γ相CsPbI₃具有更加優異的相穩定性和光伏性能。其次作者提出了利用有機陽離子誘導調控CsPbI₃結晶動力學的科學策略，成功解決了β相CsPbI₃合成難題，實現了在溫和條件下獲得高質量的β相CsPbI₃鈣鈦礦。該熱力學穩定的β-CsPbI₃鈣鈦礦同時具有高度（110）晶面取向利于電荷傳輸。與立方晶相的α-CsPbI3相比，隸屬于四方晶系同時具有高度（110）晶面取向的β-CsPbI₃晶體對稱性有所下降：Pb-I八面體表現出一定程度的扭曲，但又低于正交結構的γ-CsPbI₃中Pb-I八面體扭曲程度。基于理論計算揭示了CsPbI3全無機鈣鈦礦中α、β、γ三種晶相中Pb-I八面體扭曲程度不同是導致晶體結構和帶隙差異的關鍵，特別是從理論上指出β-CsPbI₃會擁有更窄的帶隙，和實驗結果一致。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw8109

基于介電材料的電容器由于其高功率密度、高耐壓及高可靠性而在電子電力設備中有廣泛應用。然而，電容的能量密度普遍較低。介電材料的能量密度Ue由施加的電壓及電介質極化決定，其中Pm為最大極化強度，Pr為剩余極化強度。故高Pm、低Pr及高可耐受電壓是提高能量密度的關鍵。基于陶瓷或高分子材料的傳統介電電容能量密度一般小于5 J/cm³。作者設計合成的多相納米晶域介電薄膜具有優異的儲能性能，可用于各類電容及熱電裝置。且整個設計合成策略亦可用于開發需調控納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

在這個工作中，作者報道一種解決方案處理策略，以穩定基于鈣鈦礦的異質結構。在[CH(NH₂)₂]_x[CH₃NH₃]_1-xPb_1+yI₃膜與富鉛表面和氯化石墨烯層之間形成強Pb-Cl和Pb-O鍵。構造的異質結構可以選擇性地提取光生電荷載流子，并阻止軟鈣鈦礦中分解組分的損失，從而減少對有機電荷傳輸半導體的損害。孔徑為1.02平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池在60^oC的AM1.5G太陽光下在最大功率點下運行1000小時后，保持其初始效率21％的90％的初始效率。老化設備的穩定輸出效率已通過授權測試中心的進一步認證。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aay0291

人工智能和其他數據密集型應用已經提高了對數據存儲和處理的需求。新的計算設備，例如基于相變隨機存取存儲器（PCRAM）的神經啟發設備，是通過統一存儲單元中的計算存儲來突破馮·諾依曼障礙的有前途的選擇。但是，當前的PCRAM器件具有相當大的噪聲和電阻漂移，從而侵蝕了這些器件的精度和一致性。作者設計了一種相變異質結構（PCH），該結構由交替堆疊的相變和約束納米層組成，以抑制噪聲和漂移，從而為可靠的高性能神經計算提供了可靠的迭代RESET和累積SET操作。這種PCH架構適合作為固有材料解決方案進行工業生產，而無需復雜的制造過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

原子精確的碳納米結構的構建有望為科學研究和納米技術應用開發材料。在這里，作者證明了石墨烯折紙是將石墨烯轉化為原子精確，復雜的納米結構的有效方法。通過在低溫下掃描隧道顯微鏡操作，作者沿任意選擇的方向反復折疊和展開石墨烯納米島（GNI）。形成了具有可調節的扭轉角和層之間的管狀邊緣連接的雙層石墨烯疊層。折疊的單晶GNI產生具有指定手性和類似于碳納米管的一維電子特征的管狀邊緣，而折疊的雙晶GNI產生明確的分子內連接。計算折紙結構模型和電子帶結構，以補充對實驗結果的分析。本原子精確的石墨烯折紙提供了用于構建具有工程量子特性的碳納米結構的平臺，并最終提供了量子機器。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax5123

熱電技術允許在熱和電之間進行轉換。許多優質的熱電材料包含稀有或有毒元素，因此有必要開發低成本和高性能的熱電材料。在這里，作者報道了空穴摻雜的硫化錫（SnS）晶體中三個獨立電子帶的溫度依賴性相互作用。這種行為導致有效質量（m*）和載流子遷移率（m）之間的協同優化，并且可以通過引入硒（Se）來增強。這將功率因數從每平方開爾文每厘米?30微瓦提高到?53微瓦，同時降低了硒合金化后的導熱系數。結果，在SnS_0.91Se_0.09晶體中，作者在873 K時獲得的最高品質因數ZT(ZTmax)為?1.6，在300至873K時獲得的平均ZT(ZTave)為?1.25。這種波段控制策略為優化熱電性能提供了一條不同的途徑。高性能SnS晶體代表了向低成本，地球和環境友好的熱電邁出的重要一步。

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

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

高熵合金是一類材料，其中包含五個或更多個近等原子的元素。它們非常規的成分和化學結構有望實現前所未有的機械性能組合。此類合金的合理設計取決于對幾乎無限的成分空間中成分-結構-性質關系的理解。在這里，作者使用原子分辨率化學映射來揭示廣泛研究的面心立方CrMnFeCoNi Cantor合金和新型面心立方合金CrFeCoNiPd的元素分布。在Cantor合金中，五個組成元素的分布相對隨機且均勻。相比之下，在CrFeCoNiPd合金中，鈀原子的原子尺寸和電負性與其他元素顯著不同，其均質性大大降低。所有這五個元素趨向于表現出更大的聚集，初始濃度波的波長小至1至3納米。所得的納米級交替的拉伸和壓縮應變場導致對位錯滑移的相當大的抵抗力。應變實驗中的原位透射電子顯微鏡顯示，從塑性變形的早期開始就存在大量的位錯交叉滑移，從而導致多個滑移系統之間存在很強的位錯相互作用。 CrFeCoNiPd合金中的這些變形機理與Cantor合金和其他面心立方高熵合金中的明顯不同，這是由于成分的明顯波動和堆垛層錯能量的增加而引起的，從而導致了較高的屈服強度而又不降低應變硬化和拉伸延展性。映射原子級元素分布為理解化學結構提供了機會，從而為調整組成和原子構型以獲得出色的機械性能提供了基礎。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax6182

大型和小型冷卻都需要高效，低成本的制冷。在固體的拉伸或靜壓壓縮周期中使用熵變化的冰箱是家庭中使用的蒸汽壓縮冰箱的替代方案。高捻度是由扭曲、卷曲或超卷曲纖維（包括天然橡膠，鎳鈦合金和聚乙烯釣魚線的纖維）的扭曲變化引起的。使用相反的手性扭曲和卷曲可產生超卷曲的天然橡膠纖維和卷曲的釣線纖維，它們在拉伸時會冷卻。已證明的用于冷卻流動水的基于扭曲的設備可提供較高的冷卻能量和設備效率。力學計算描述了加捻冷卻的軸向和彈簧指數相關性及其在聚乙烯纖維相變中的起源。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aay7221

鐵電體通常是易碎的變形的非柔性氧化物。作者合成了無損傷提離工藝的獨立式單晶鐵電鈦酸鋇（BaTiO₃）膜。這個BaTiO₃膜在原位彎曲測試過程中可能會發生?180°折疊，這表明它具有超彈性和超柔韌性。作者發現超彈性的起源來自鐵電納米域的動態演化。高應力顯著地調節了能量分布，并使偶極子在a和c納米域之間連續旋轉。形成了一個連續的過渡區，以適應變化的應變并避免通常導致斷裂的高失配應力。通過域工程在其他鐵電系統中該現象應該是可能的。超柔性外延鐵電膜可以實現許多應用，例如柔性傳感器，存儲器和電子皮膚。

22.High-temperature superconductivity in monolayer Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ

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

盡管氧化銅高溫超導體構成了復雜多樣的材料族，但它們都共享分層的晶格結構。這個奇怪的事實引發了一個問題，即在隔離的單層氧化銅中是否可以存在高溫超導性，如果存在，那么二維超導性和各種相關現象是否與它們的三維對應性不同。答案可能會提供有關維數在高溫超導中的作用的見解。在這里，作者開發了一種制造工藝，該工藝可獲得高溫超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ的本征單層晶體。單層的最高超導轉變溫度與最佳摻雜體的最高一樣高。與傳統的二維超導體大大降低的轉變溫度相比，缺乏對過渡溫度的尺寸效應無法滿足Mermin-Wagner定理的期望。單層Bi-2212的性能變得極為可調；作者對各種摻雜濃度下的超導性，偽能隙，電荷階數和Mott狀態的調查表明，這些相與本體中的相沒有區別。因此，單層Bi-2212顯示了高溫超導的所有基本物理原理。這個結果建立了單層氧化銅作為研究二維二維高溫超導性和其他強相關現象的平臺。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav1937

控制晶體結構是操縱固體基本特性的有效方法。在范德華材料中，可以通過在層之間旋轉和平移來更改堆疊順序來實現此控制。在這里，作者觀察到二維（2D）磁性半導體三溴化鉻（CrBr₃）中依賴于堆疊的層間磁性，這是通過分子束外延成功地使其單層和雙層生長而實現的。使用原位自旋極化掃描隧道顯微鏡和光譜學，作者將原子晶格結構與觀察到的磁階直接相關。盡管單個單層CrBr₃是鐵磁性的，但雙層中的層間耦合取決于堆疊順序，并且可以是鐵磁性或反鐵磁性的。這個觀察為通過層扭轉角控制操縱2D磁性鋪平了道路。

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）是具有非阿貝爾編織統計信息的空間局部零能量分數類準粒子，為拓撲量子計算提供了希望。由于粒子的反粒子等效性，MZM在低溫下表現出量化的電導率。通過使用可變隧道耦合掃描隧穿光譜，作者研究了FeTe_0.55Se_0.45超導體上渦旋結合態的隧穿電導。作者報道了電導平臺的觀測值與零能渦旋束縛態的隧穿耦合有關，零值渦旋束縛態的值接近或什至達到2e²/h量子電導。相反，在有限的能量渦旋結合態或超導間隙之外的電子態的連續體中都沒有觀察到平穩狀態。零模電導的這種行為支持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

二維電子系統中的量子霍爾效應（QHE）的發現使拓撲在凝聚態物理中起著核心作用。盡管幾十年前就提出了將QHE推廣到三維（3D）電子系統的可能性，但尚未通過實驗證明。在這里，作者報道了五氧化二鋯鋯（ZrTe₅）晶體中3D QHE的實驗實現。作者在磁場下對塊狀ZrTe₅晶體進行低溫電傳輸測量，并在相對低的磁場下達到極限量子極限，其中僅占據最低的Landau能級。在這種情況下，作者觀察到接近零的無耗散縱向電阻率，伴隨著發達的霍爾電阻率平臺，該平臺與沿電場方向的費米波長的一半成比例。該響應是3D QHE的特征，并強烈暗示費米表面不穩定性是由在極端量子極限中增強的相互作用效應驅動的。通過進一步增加磁場，縱向和霍爾電阻率都顯著增加，并顯示出金屬-絕緣體的躍遷，這是另一種磁場驅動的量子相變。這個發現為3D QHE提供了實驗證據，并為進一步探索3D系統中的奇異量子相和躍遷提供了有希望的平臺。

26.Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw8719

固態鐵磁材料的形狀是剛性的，無法重新配置。鐵磁流體盡管可重構，但在室溫下是順磁性的，當去除施加的磁場時會失去其磁化強度。在這里，作者顯示了通過在水-油界面處組裝的磁性納米顆粒的單分子層的阻塞，鐵磁流體液滴的可逆順磁到鐵磁轉變。這些鐵磁液滴具有有限的矯頑力和剩余磁化強度，可以很容易地重新配置成不同的形狀，同時保留具有經典的南北偶極子相互作用的固體鐵磁體的磁性能，它們的平移和旋轉運動可以通過外部磁場遠程和精確地驅動。

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維系統中是否存在金屬基態仍未解決。作者研究了納米相圖案的高溫超導薄膜中，如何通過磁導量子振蕩在超導體-金屬-絕緣體躍遷之間形成量子相干。作者通過改變薄膜的蝕刻時間來調整相干度。在超導和絕緣狀態之間，作者檢測到了一種強健的中間異常金屬態，其特征在于在低溫下的飽和電阻和振蕩幅度。這個測量結果表明，異常的金屬態是玻色的，并且相干的飽和在其形成中起著重要作用。

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

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

水的凍結現象無處不在，并影響著氣候，化學工業，冷凍生物學和材料科學等各個領域。冰核化是水凍結的控制步驟，并且在近一個世紀以來，人們一直認為冰核化需要形成關鍵的冰核。但是，由于這種核的瞬態和納米性質，因此沒有直接的實驗證據可以證明這種核的存在。在這里，作者報道了包含可控制尺寸的氧化石墨烯納米片的水滴中的冰核化，并顯示它們僅在一定大小以上對冰核化有顯著影響，該大小隨液滴的過冷程度而變化。從實驗數據和理論計算中推斷出，氧化石墨烯的臨界尺寸反映了臨界冰核的尺寸，在足夠大的石墨烯氧化物的情況下，其位于其表面，并產生了與經典成核相一致的成冰行為理論。相反，當氧化石墨烯的尺寸小于臨界冰核的尺寸時，釘扎在氧化石墨烯的外圍會使冰核隨著其生長而變形。這為成核作用提供了更高的自由能壘，并抑制了氧化石墨烯的促進作用。結果提供了關于臨界冰核的存在和與溫度有關的尺寸的實驗信息，以前僅在理論上和通過模擬進行了探索。由于將臨界前核固定在納米顆粒邊緣上并不是石墨烯氧化物上的冰核所特有的，因此這個方法有希望擴展到探測其他成核過程中的臨界核。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aau5701

金屬鹵化物鈣鈦礦吸收劑中具有柔軟性質的組件通常會在器件制造和操作過程中產生鉛(Pb)⁰和碘(I)⁰缺陷。這些缺陷不僅充當重組中心以降低器件效率，而且還充當降解引發劑以阻礙器件壽命。結果表明，離子對Eu³⁺-Eu²⁺充當“氧化還原穿梭”，在循環中同時選擇性氧化Pb⁰和還原I⁰缺陷。最終的器件實現了21.52％（認證的20.52％）的功率轉換效率（PCE），并大大提高了其長期耐久性。 在1個太陽連續照明或在85^oC的溫度下加熱1500小時后，這些器件分別保持了92％和89％的峰值PCE，在最大功率點跟蹤500小時后，它們分別保持了原始穩定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

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是用于汽車和其他應用的有吸引力的下一代電源，其開發工作集中在改進燃料電池的催化劑體系上。一個問題是催化劑雜質被一氧化碳（CO）之類的雜質氣體所毒化，一氧化碳通常占氫燃料的約百分之一。一種可能的解決方案是車載氫氣純化，其中涉及氫氣中CO的優先氧化（PROX）。但是，這種方法具有挑戰性，因為催化劑需要在很寬的低溫范圍內對CO氧化具有活性并具有選擇性，以便在PEMFC連續運行過程中以及在汽車燃料電池中頻繁發生的低溫下有效去除CO。作者發現原子分散的氫氧化鐵（選擇性沉積在二氧化硅負載的鉑（Pt）納米顆粒上）能夠在198至380開爾文的寬溫度范圍內通過PROX反應完全和100％地選擇性去除CO。該系統的質量比活性比由鐵氧化物載體上的Pt組成的更常規催化劑的質量比活性高約30倍。原位X射線吸收精細結構測量表明，大多數氫氧化鐵以Fe₁(OH)_x團簇錨定在Pt納米顆粒上存在，密度泛函理論計算表明Fe₁(OH)_x-Pt單個界面部位可以很容易地與CO反應并促進氧氣活化。這些發現表明，除了針對氧化物支持的貴金屬納米顆粒或孤立的金屬原子的策略外，孤立的過渡金屬配合物的沉積提供了設計高活性金屬催化劑的新方法。

31.Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aav3200

當前使用的大多數光氧化還原催化劑是貴金屬絡合物或合成精細的有機染料，其成本可能阻礙其在大規模工業過程中的應用。作者發現，在不存在過渡金屬的情況下，藍光發光二極管在456納米輻照下，三苯基膦和碘化鈉的組合可以通過與氧化還原活性酯進行脫羧偶聯來催化甲硅烷基烯醇醚的烷基化。作者還展示了使用Katritzky N-烷基吡啶鎓鹽進行的脫氨烷基化和使用Togni試劑進行的三氟甲基化。此外，基于膦/碘化物的光氧化還原系統催化N-雜環的Minisci型烷基化，并且可以與手性磷酸串聯使用，以在該反應中實現高對映選擇性。

32.PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis

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

通過電催化過程實現化學物質和電力的有效相互轉化對于許多可再生能源計劃至關重要。長期以來，氧還原反應（ORR）和氧釋放反應（OER）的動力學遲緩是該領域的最大挑戰之一，通常需要基于昂貴的鉑族金屬的電催化劑來提高其活性和耐久性。這些合金化，表面應變和優化的配位環境的使用已導致鉑基納米晶體在酸性介質中具有很高的ORR活性。然而，由于在氫氧化物的存在下難以在鉑族金屬上獲得最佳的氧結合強度，因此提高在堿性環境中該反應的活性仍然具有挑戰性。在這里，我們證明PdMo雙金屬片（一種高度彎曲且亞納米級厚度的金屬納米片形式的鈀鉬合金）是一種有效且穩定的堿性電解質中ORR和OER的電催化劑，并顯示出極高的性能。鋅空氣和鋰空氣電池的陰極，與堿性電解液中的可逆氫電極相比，PdMo雙金屬片的薄層結構可實現較大的電化學活性表面積以及高原子利用率，從而在0.9伏特下對每毫克鈀的ORR產生16.37安培的質量活性。該質量活性分別比市售Pt/C和Pd/C催化劑高78倍和327倍，并且在30,000個潛在循環后幾乎沒有衰減。密度泛函理論計算表明，合金化效應，由于彎曲的幾何形狀引起的應變效應以及由于薄板的厚度引起的量子尺寸效應調節了系統的電子結構，從而優化了氧的結合。

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

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

Organoboron試劑是重要的合成中間體，在天然產物、藥物和有機材料的構造中具有關鍵作用。發現更簡單，更溫和，更有效的有機硼方法可以為獲取更多種類的物質開辟新途徑。在這里，作者展示了不使用金屬催化劑直接進行芳烴和雜芳烴的CH硼化的一般方法。C7和C4硼化的吲哚是通過溫和的方法生產的，該方法可與各種官能團相容。通過密度泛函理論計算建立的機理涉及BBr₃既充當試劑又充當催化劑。形成的硼物種向下游轉化為天然產物和藥物支架的過程突顯了該策略的潛在效用。

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

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

點擊化學是一個概念，其中模塊化合成用于快速發現具有所需特性的新分子。銅（i）催化的疊氮化物-炔烴環加成（CuAAC）三唑環化反應和硫（vi）氟化物交換（SuFEx）催化被廣泛認為是點擊反應，可快速獲得其產物，收率接近100％，而與其他正交反應。但是，在CuAAC反應的情況下，由于疊氮化物試劑的潛在毒性和制備中涉及的爆炸危險，因此其可用性受到限制。在這里，作者報道了添加到點擊反應族中的另一種反應：由伯胺（最豐富的官能團之一）形成疊氮化物。該反應僅使用一當量的簡單重氮化物氟磺酰疊氮化物（FSO₂N₃），并能夠以安全實用的方式在96孔板上制備1200多種疊氮化物。這種可靠的轉化是CuAAC三唑環化（目前使用最廣泛的點擊反應）的有力工具。該方法大大擴展了易獲得的疊氮化物和1,2,3-三唑的數量，并且鑒于CuAAC反應的普遍性，該方法應在有機合成，藥物化學，化學生物學和材料科學中得到應用。

35.Crosslinking ionic oligomers as conformable precursors to calcium carbonate

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

無機材料在社會中具有至關重要的作用，包括建筑結構、光學設備、機械工程以及作為生物材料。然而，無機材料的制造受到經典結晶的限制，經典結晶常常產生粉末而不是具有連續結構的整料。已經提出了幾種能夠實現非經典結晶的前體，例如預成核團簇，致密的液滴，聚合物誘導的液體前體相和納米顆粒，以改善無機材料的結構，但是這些前體在納米技術中的大規模應用整體制備受到可用性和實際考慮的限制。受可通過交聯單體或低聚物制造的聚合材料的可加工性的啟發，在此作者展示了通過交聯離子低聚物來構建連續結構的無機材料的過程。以碳酸鈣為模型，文中獲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劑以穩定低聚物。除去三乙胺可引發(CaCO₃)_n低聚物的交聯，從而快速構建純整體式碳酸鈣，甚至具有連續內部結構的單晶。

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

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

選擇性C-H鍵功能化的方法為化學家提供了廣泛而強大的合成工具箱，例如無需長時間進行新穎合成即可對鉛化合物進行后期修飾。鑒于有大量可用的HAT受體以及可用于生成的自由基中間體的反應途徑的多樣性，通過氫原子轉移（HAT）裂解sp³?C-H鍵特別有用。然而，位點選擇性仍然是一個巨大的挑戰，特別是在具有可比性能的sp³?C-H鍵之間。如果中間基團可以進一步被對映選擇性地俘獲，則這應該能夠實現C-H鍵的高位和對映選擇性官能化。在這里，作者報道了銅（Cu）催化的復雜烯烴的定點和對映選擇性烯丙基氰化，其中以Cu（ii）結合的氮（N）為中心的自由基在實現精確的定點HAT中起關鍵作用。事實證明，該方法可有效收集各種含烯烴分子，包括空間要求結構和復雜的天然產物及藥物。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw7493

對于實用的燃料電池，開發高效，耐用的電催化劑至關重要。文章報道了具有Pt皮結構的一維束狀鉑鎳（Pt-Ni）合金納米籠，用于氧還原反應，具有高質量活性和比活性，比市售碳載鉑高出近17倍和14倍（Pt/C）催化劑。在50000次循環后，該催化劑表現出高穩定性，而活性下降可忽略不計。實驗結果和理論計算均表明，由應變和配體效應引起的強鍵鉑-氧（Pt-O）位點較少。此外，通過這種催化劑組裝的燃料電池在0.6伏特下的電流密度為每平方厘米1.5安培，并且可以穩定運行至少180小時。

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

Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw9939

脂肪胺容易抑制過渡金屬催化劑的活性，這對氮氫（NH）插入反應構成了顯著挑戰。在這里，作者報道了使用兩種催化劑串聯的非對映選擇性卡賓插入脂肪族胺的N-H鍵中：非手性銅配合物和手性氨基硫脲。配位保護了激活卡賓前體的銅中心。然后，手性氨基-硫脲催化劑促進對映選擇性質子轉移以產生插入產物的立體中心。該反應將多種重氮酯和胺偶聯，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年發現以來，Schmidt反應一直是一種高效且廣泛使用的合成酰胺和腈的方法。然而，其應用常常需要使用揮發性，潛在爆炸性和高毒性的疊氮化物試劑。在這里，作者報告了一個序列，其中三氟甲酸酐，甲酸和乙酸激活了大量的化學硝基甲烷，在Schmidt反應中代替了疊氮化物，充當了氮的供體。該方案進一步擴大了底物的范圍，以用于制備酰胺和腈的炔烴和簡單的烷基苯。

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