解讀：新鮮出爐的諾獎級材料科研成果

湯森路透是使用定量數據來分析和預測年度諾貝爾獎得主的唯一機構。每年，該機構都會根據來自權威的引文數據庫 Web of Science 的數據進行定量分析，以確定諾貝爾獎學科領域中最具影響力的研究人員。根據其發表的研究成果的總被引頻次，這些高影響力研究人員被授予湯森路透引文桂冠得主(Citation Laureates)稱號，預示著他們可能成為不久將來的諾貝爾獎得主。

根據所發表論文在過去二十年間的被引次數，湯森路透引文桂冠得主(Citation Laureates)通常名列其研究領域科研人員前千分之一(0.1%)，評選依據是過去20年他們所發布論文的引用情況。自2002年以來，每年發布的引文桂冠獎已成功預測了43位諾貝爾獎得主。有的是在獲得該獎的幾年后摘得諾貝爾獎，有的則在當年“應驗”。著名華人科學家錢永健就曾在2008年先后獲得“引文桂冠獎”和諾貝爾獎。

倫敦時間2020年9月23日，科睿唯安公布了2020年度“引文桂冠獎”名單，來自六個國家的24名世界頂尖研究人員獲得此殊榮。讓我們來看看材料研究領域未來的諾獎會發生在哪些領域。

碳和氮化硼納米管的制造和新奇應用

獲獎人：

美國斯坦福大學

Hongjie Dai

美國加州大學伯克利分校物理學教授、加州大學伯克利分校勞倫斯伯克利國家實驗室

Alex Zettl

1. Nat. Mater.:在超凈、正在生長的懸浮碳納米管中進行電子傳輸

迄今為止，單壁碳納米管已顯示出大量的量子傳輸現象。具有良好行為或可調節金屬觸點的無缺陷，不受干擾的單壁碳納米管對于探測納米管的內在電學性能至關重要。由于存在許多障礙和隨機因素，實驗上滿足這些條件并非易事。美國斯坦福大學的Hongjie Dai發現在金屬觸點之間的位置上生長的?1μm長的完全懸浮單壁碳納米管，其器件具有良好的特性，其能量范圍比固定在基板上的納米管要寬得多。在真實金屬，小帶隙和大帶隙半導體納米管中，觀察到各種低溫傳輸方式，包括由于Aharonov-Bohm效應而引起的量子場的殼填充、分裂和交叉。干凈的傳輸數據顯示了單壁碳納米管器件中接觸結電阻與各種傳輸方式之間的相關性。此外，作者認為電傳輸數據可用于探測納米管的能帶結構，包括非線性能帶色散。

文獻鏈接：

Electron transport in very clean, as-grown suspended carbon nanotubes

Nature Materials, 2005, 10.1038/nmat1478

2. Physics Today:氮化硼納米管的物理學研究

量身定制的材料長期以來一直是凝聚態物理的核心。它們通常會帶來有關控制物理性質（天然和合成材料）的基礎物理學的新見解，有時還會為應用提供新的機會。隨著材料尺寸接近原子級，并且量子尺寸效應影響電子彼此之間的相互作用，有趣的物理學始終會出現。尺寸和對稱性限制也會影響電子行為。合成固有的亞穩態納米結構并對其進行結構，光學，熱，電子或機械特征表征是具有挑戰性的，但是該領域取得了令人矚目的進展。

氮化硼納米管（BNNT）的例子很好地說明了理論和實驗研究如何導致發現一種新材料，該新材料開辟了通往奇特材料特性，引人入勝的新現象和獨特應用的道路。科學家們在1994年的預測中可能存在BNNT，第二年又成功地合成了BNNT，這一事實使人們相信為大塊固體開發的計算技術應適用于納米級物體。因此，標準的理論模型和工具起作用了。從那時起，BNNT的研究一直很活躍，并且肯定在不久的將來會大大增長。

文獻鏈接：

The physics of boron nitride nanotubes

Physics Today, 2010, 10.1063/1.3518210

廣泛應用在物理、生物和醫療系統領域具有精確屬性的納米晶體的合成

獲獎人：

美國麻省理工學院

Moungi G. Bawendi

美國賓夕法尼亞大學

Christopher B. Murray

韓國首爾國立大學

Taeghwan Hyeon

3. Angew. Chem. Int. Ed.:藍色發光缺陷納米晶體

銅基三元（I–III–VI）硫族化物納米晶體（NCs）是成分靈活的半導體，不含鉛（Pb）或鎘（Cd）。 Cu-In-S NCs是該重要材料類別中被研究最多的成員，并且據報道包含光學活性缺陷狀態。然而，關于無In成分具有有效光致發光（PL）的報道很少。美國麻省理工學院Moungi G. Bawendi

報道了由銅，鋁，鋅和硫組成的4nm缺陷納米晶體（DNC）的陽極溶液相合成，量子產率為20％，PL最大值為450 nm。廣泛的光譜表征表明，存在高度局部化的電子態，導致相當快的PL衰減（1ns），較大的振動能量間隔，較小的斯托克斯位移以及與溫度無關的PL線寬和PL壽命（在室溫和5K之間）。此外，密度泛函理論（DFT）計算表明，PL躍遷是由CuAl5S8晶格內的缺陷引起的，這支持了對高局域態的實驗觀察。此處報道的結果提供了一種具有獨特光電特性的新材料，該材料是經過充分研究的Cu-In-S NC的重要類似物。

文獻鏈接：

Blue Light Emitting DefectiveNanocrystals Composed of Earth-Abundant Elements

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201911436

4. ACS Nano:通過Au_xAg_1-x納米顆粒摻雜對PbSe納米晶體固體中的電荷傳輸進行調制

納米晶體（NC）固體是一類令人興奮的材料，其物理性質可以通過選擇NC和粒子間耦合的強度來進行調整。可以將這些NC視為“人造原子”，類似于從原子形成冷凝物。類似于原子摻雜，用雜質NC摻雜半導體NC固體會極大地改變其電子性能。通過調整構件的大小，形狀和組成，可以在這些人工結構中實現高度的復雜性，從而使具有目標特性的“設計者”材料成為可能。美國賓夕法尼亞大學Christopher B. Murray介紹了使用一系列Au_xAg_1-x合金納米顆粒（NPs）對PbSe NC固體進行的摻雜。溫度依賴性電導率和Seebeck系數測量以及室溫霍爾效應測量的結合表明，金屬NP的摻入既可以改變NC固體的電荷載流子密度，也可以為電荷傳輸引入能壘。這些研究表明從金屬NP向PbSe NC基質注入載流子。通過使用具有不同Au:Ag比的Au_xAg_1-x?NP作為摻雜劑，可以在很寬的范圍內調節摻雜NC固體中的載流子密度和電荷傳輸動力學。對于利用金屬NP引入的能量過濾效應的熱電應用而言，這種摻雜策略可能會引起極大的興趣。

文獻鏈接：

Charge Transport Modulation in PbSe Nanocrystal Solids by Au_xAg_1?x?Nanoparticle Doping

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201911436

5. Nature:通過幾何失配應變設計和合成納米晶粒

與晶界相關的拓撲缺陷（GB缺陷）對納米晶體材料的電，光，磁，機械和化學性質的影響是眾所周知的。然而，通過實驗來闡明這種影響是困難的，因為晶粒通常表現出大范圍的尺寸，形狀和隨機的相對取向。韓國首爾國立大學Taeghwan Hyeon證明了對膠體多面體納米晶體的異質外延進行精確控制可以使晶粒有序生長，從而可以生產出具有均勻GB缺陷的材料樣品。作者用包含Co3O4納米立方核的多顆粒納米晶體來說明這個方法，該核在每個面上都帶有Mn3O4殼。各個殼是與對稱性相關的相互連接的晶粒，相鄰四方Mn3O4晶粒之間的大幾何錯位導致在Co3O4納米立方核的鋒利邊緣處形成傾斜邊界，這些傾斜邊界通過錯位連接。作者確定了控制這些高度有序的多晶粒納米結構生產的四個設計原則。首先，襯底納米晶體的形狀必須指導過度生長相的晶體學取向。其次，襯底的尺寸必須小于位錯之間的特征距離。第三，過度生長相與基底之間的不相容對稱性增加了晶粒之間的幾何雜波應變。第四，對于在接近平衡條件下形成GB的情況，需要通過通過配體鈍化增加的彈性能來平衡殼的表面能。利用這些原理，作者生產出一系列包含明顯GB缺陷的多晶粒納米晶體。

文獻鏈接：

Design and synthesis of multigrain nanocrystals via geometric misfit strain

Nature, 2020, 10.1038/s41586-019-1899-3

對有機金屬化學的貢獻，特別是通過鈀催化實現胺與芳基鹵化物偶聯形成碳—氮鍵的布赫瓦爾德-哈特維希反應

獲獎人：

美國麻省理工學院

Stephen L. Buchwald

美國加州大學伯克利分校

John F. Hartwig

6. Science:通過鈀氧化加成配合物實現藥物多樣化

鈀催化的交叉偶聯反應已經改變了對化學空間的探索，從而尋找了材料，藥物，化學探針和其他功能分子。然而，稠密官能化底物的交叉偶聯仍然是一個主要挑戰。美國麻省理工學院

Stephen L. Buchwald設計了一種替代方法，使用化學計量的衍生自藥物或類似藥物的芳基鹵化物的鈀氧化加成絡合物（OAC）作為底物。在大多數情況下，與類似的催化反應相比，使用OAC進行的交叉偶聯反應在較溫和的條件下進行且具有更高的成功率。OAC具有出色的穩定性，可在環境條件下臺式放置數月后保持其活性。作者證明了OAC在多種實驗中的效用，包括利伐沙班衍生的OAC與數百種不同親核試劑之間的自動納摩爾級偶聯以及天然產物k252a的后期衍生化。

文獻鏈接：

Pharmaceutical diversification via palladium oxidative addition complexes

Science, 2019, 10.1126/science.aac6153

7. Nature:通過C-F鍵活化來脫除二氟亞甲基

含有一個氟原子的叔立體中心對于醫學化學很有價值，因為它們模仿了含有一個氫原子的普通的立體中心，但是它們具有獨特的電荷分布，親脂性，構象和代謝穩定性。盡管通常通過一個亞甲基的兩個碳氫（C–H）鍵之一通過對映選擇性去對稱化反應來設置一個含氫原子的叔立體中心，但尚未通過在一個位置進行類似的不對稱化反應來構建一個含氟尿嘧啶的叔立體中心。二氟甲亞甲基的兩個碳氟鳥嘌呤（CF）鍵中的一個。氟原子的大小與氫原子相似，但具有不同的電子特性，導致CF鍵非常牢固，而雙鍵CF鍵則相互加強。因此，窮舉脫氟通常比單個C-F鍵的選擇性取代占主導地位，這阻礙了一個氟原子對映體選擇性取代形成立體中心的發展。美國加州大學伯克利分校John F. Hartwig報道了烯丙基二氟甲亞甲基中單個C-F鍵的催化，對映選擇性活化，從而提供了包含單氟甲酸酯化叔立體中心的多種產品。通過將控制區域選擇性，化學選擇性和對映選擇性的手性銥亞磷酰胺催化劑與適合于C-F鍵氧化加成的親氟活化劑結合，這些反應可以高收率和選擇性地進行。在這項工作中提出的設計原則擴展到鈀催化的芐基取代，證明了該方法的普遍性。

文獻鏈接：

Desymmetrization of difluoromethylene groups by C–F bond activation

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2399-1

從自然界獲取靈感，通過自組裝策略，促進超分子化學的發展

獲獎人：

日本東京大學分子科學研究所

Makoto Fujita

8. Nat. Chem.:分子籠內扭曲酰胺的反應性增強

當酰胺基團偏離其平面構象時，氮孤對與羰基的π*軌道之間的結合被破壞，對親核試劑的反應性增強。盡管有關于活化的扭曲酰胺的合成的一些報道，但是通過機械扭曲進行的酰胺活化很少見。日本東京大學分子科學研究所Makoto Fujita報道了扭曲的酰胺，這些酰胺通過包含在自組裝的配位籠中而得以穩定。當Td對稱籠中包含仲芳族酰胺時，順式-扭曲構型比跨平面構型更有利（如單晶X射線衍射分析所證明），表明該酰胺最多可扭曲34°。由于這種變形，酰胺的水解在被包含時被顯著加速。

文獻鏈接：

Enhanced reactivity of twisted amides inside a molecular cage

Nat. Chem., 2020, 10.1038/s41557-020-0455-y

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