十三篇Nature Science 串講 誰才是頂刊的寵兒？

國慶節接近尾聲，下一個法定節日將是2021年元旦節。這些都在提示這我們2020年已經只剩下2個多月了。6月份我們梳理了上半年發布的材料類、化學類NS文章，下面我們接著梳理自7月以來發布的論文。

1：Science 氣相輔助沉積實現高效穩定的α相FAPbI3太陽能電池

洛桑聯邦理工學院的Michael Gr?tzel、Anders Hagfeldt聯合復旦大學的Yiqiang Zhan、Lirong Zheng（共同通訊作者）等人報道了基于MA thiocyanate（MASCN）或者FASCN氣相處理的新型沉積策略，利用該策略可以將δ相FAPbI₃鈣鈦礦薄膜轉變成高純度的α相FAPbI₃。在該項工作中，研究人員利用NMR定量了材料框架中的MA吸收量，并利用分子動力學模擬揭示了硫氰酸根陰離子能夠在熱力學相轉變溫度以下提高α-FAPbI₃的形成和穩定性。檢測顯示，由這類低缺陷密度α-FAPbI₃薄膜制作而成的太陽能電池具有超過23%的能量轉換效率和長期的運行/熱穩定性。2020年10月02日，相關成果以題為“Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI_3?perovskite solar cells”的文章在線發表在Science上。

文獻鏈接：Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI₃?perovskite solar cells（Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb8985）

2：Science?應變弛豫對甲脒根碘化鉛鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

雖然α相FAPbI₃有一個適用于太陽能電池的帶隙，但它必須用附加的陽離子來穩定。這些成分會對帶隙產生不利影響，并產生晶格應變，從而為載流子產生陷阱。韓國蔚山國立科技大學Sang Il Seok團隊發現用小的等摩爾量的銫和亞甲二銨陽離子取代甲脒根可以降低晶格應變和陷阱密度。開路電壓的提高使得功率轉換效率達到了24.4%，并且在最大功率點運行條件下400小時后，封裝器件仍然保持了其初始效率的90%。2020年10月02日，相關成果以題為Impact of strain relaxation on performance of α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells”的文章在線發表在Science上。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6512/108

3：Science?難熔多主元素合金中位錯路徑的多重性

難熔多主元素合金雖然強度高但韌性較差。近日，來自美國加州大學圣巴巴拉分校的Daniel S. Gianola等研究者發現，鉬鈮鈦多主元素合金的可塑性適應機制不同。與所謂的“螺旋”位錯不同，變形通過多種途徑適應，包括“邊緣”位錯和晶體滑移面的激活。這些結果為開發新型高強度合金提供了設計范例。相關論文以題為“Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy”于10月2日發表在Science上。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6512/95

4:?Science：具有效率為24.82%的穩定鈣鈦礦太陽能電池

韓國蔚山國立科技大學（UNIST）Changduk Yang教授，韓國能源研究所Dong Suk Kim教授和?韓國蔚山國家科技研究所Sang Kyu Kwak教授（共同通訊作者）考慮到氟化能使共軛材料具有能級，疏水性和非共價相互作用的優點，因此開發了Spiro OMeTAD的兩個含氟異構體類似物（Spiro-mF和Spiro-oF）作為制備PSC的HTM，并將它們與優化后的Spiro-OMeTAD基PSC的器件性能進行了比較。通過實驗，原子分析和理論分析研究了由結構異構引起的結構-性質關系，不僅報告了用Spiro-mF制造的器件實現了24.82%的高效率（認證的PCE為24.64%，損耗為0.3v），而且還展示了在高相對濕度（RH）下長期穩定性（500小時后效率保持87％）。此外，在大面積電池中，也實現了22.31%的效率。相關研究成果以“Stable perovskite solar cells with efficiency?exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss?”為題于2020年9月25日發表在Science上。

文獻鏈接：“Stable perovskite solar cells with efficiency?exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss”(Science，2020，DOI:10.1126 / science.abb7167 )

5：Science?通過零能模超晶格在石墨烯納米帶中誘導金屬性

6：Nature：基于硅絕緣體的超高靈敏度和納米級諧振器用于超聲波檢測

德國慕尼黑工業大學醫學教授Vasilis Ntziachristos和Rami Shnaiderman（通訊作者）基于高度可擴展的絕緣體硅（SOI）引入了超聲波檢測的概念，該概念利用了半導體行業廣泛使用的高通量制造技術，從而設計了一個點狀硅波導檢測器（SWED），其感應面積僅為220nm乘以500nm。基于SOI的光學諧振器設計提供的單位面積靈敏度比微環諧振器高1000倍，比壓電檢測器高100000000倍。同時，本文是的設計還實現了超寬的檢測帶寬，在6分貝時達到230兆赫。除了使檢測器適合于以非常密集的陣列制造之外，還表明亞微米級的傳感區域還可以實現超分辨率的檢測和成像性能，展示了比所檢測的超聲波波長小50倍的特征成像。此外，本文的探測器可實現超小型化的超聲讀數，能夠以與光學顯微鏡相當的分辨率進行超聲成像，并有可能在硅芯片上開發非常密集的超聲陣列。相關研究成果以“A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection”為題于2020年9月17日在線發表于Nature上。

文獻鏈接：“Plasmonic enhancement of stability and brightness in organic light-emitting devices”(Nature，2020，10.1038/s41586-020-2684-z)

7：Science：熱敏性結晶提升液態熱化學電池用于低品位熱收集

華中科技大學武漢光電國家研究中心周軍教授團隊提出熱敏性晶體材料誘導可持續離子濃度梯度的科學思想，成功開發出低成本、高效液態熱化學電池，用于低品位熱能轉換。研究成果以“熱敏性結晶提升液態熱化學電池用于低品位熱收集（Thermosensitive-crystallization boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting）”為題，于2020年9月11日在線發表于《科學》（Science）期刊上。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/09/science.abd6749?rss=1。

8：Nature：一種能夠在數分鐘內實現安全充電數千次的新型鋰電無序鹽巖負極

美國加州大學圣地亞哥分校劉平教授與Shyue Ping Ong教授，加州大學歐文分校Huolin Xin教授和美國阿貢國家實驗室陸俊研究員（通訊作者）制備了一種無序巖鹽Li_3+xV₂O₅作為快速充電負極材料，能夠可逆地循環兩個鋰離子，且展現出0.6V的平均電壓平臺。與石墨負極相比，增加的電位降低了鋰金屬沉積的可能性，減輕了一個主要的安全問題（鋰枝晶生長導致的安全問題）；此外，具有無序巖鹽Li₃V₂O₅負極的鋰離子電池的電池電壓遠高于使用商用快速充電鈦酸鋰負極或其他插層的負極材料（如Li₃VO₄和LiV_0.5Ti_0.5S₂）。同時，無序鹽巖Li₃V₂O₅負極能夠進行1000多次充放電循環，容量衰減可忽略不計，并且具有出色的倍率容量，可在20秒內提供其容量的40％以上。作者通過一些的先進表針，如中子衍射，原位XRD，電感耦合等離子體發射光譜，X射線吸收光譜等說明了負極材料結構以及在循環過程中的演變。進一步將無序鹽巖Li₃V₂O₅的低電壓和高倍率性能歸因于重新分布鋰插層機制。這種低電位和高倍率的嵌入反應可用于識別其他金屬氧化物負極，以用于快速充電，長壽命的鋰離子電池。相關研究成果以“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”為題發表于Nature上。

文獻鏈接：“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”(Science，2020，10.1038/s41586-020-2637-6)

9：Science：揭秘厘米級碳納米管的抗疲勞性的最新檢測技術

清華大學魏飛教授與張如范教授（共同通訊作者）合作開發了一種非接觸聲共振測試系統（ART），使用化學氣相沉積來生長厘米級的碳納米管。然后，使用二氧化鈦納米粒子裝飾這些納米管以進行光學可視化，發現碳納米管疲勞壽命取決于應變時初次缺陷的形成，并且在較低溫度下疲勞壽命更高。具體來講，具有不同手性的CNT在共振中顯示出不同的顏色，因此，具有沿其軸向方向發生結構或手性變化的單個CNT將在該方向上顯示顏色變化。設計了配備納米探針系統的非接觸聲共振測試（ART）系統，以研究各個CNT的機械性能。作者將TiO₂納米顆粒沉積到懸浮的CNT上，以使其可視化，并控制其共振頻率，這是通過改變弦線密度來實現的。通過改變TiO₂在CNT上的量，從而實現共振頻率從MHz降低到數百Hz。通過從由數字信號發生器控制的揚聲器發出低頻聲波來激發共振振動。與使用電子顯微鏡的普通納米材料測試系統不同，本文ART系統在環境條件下不僅避免了由電子束引起的缺陷形成的可能性，而且還可以測試數量級更長的樣本。相關研究成果以“Super-durable ultralong carbon nanotubes?”為題于2020年8月28日發表在Science上。

?文獻鏈接：“Super-durable ultralong carbon nanotubes”(Science，2020，DOI:10.1126 / science.aay5220 )

10：Science：MXene的表面修飾和超導性

美國芝加哥大學Dmitri V. Talapin教授（通訊作者）介紹了通過在熔融無機鹽中進行取代和消除反應來重修飾和消除表面基團的一般策略，從而實現了在MXene上修飾O、NH、S、Cl、Br、Se和Te端基。使得這些不同組分的MXene材料展現出了不同的結構和電子特性。具體來講，表面基團控制MXene晶格中的原子間距離，未應變的碳化鈦晶格相比，以碲化物（Te^2-）配體修飾的Ti_n+1C_n（n= 1，2）MXenes?表現出巨大的（> 18％）界面晶格擴展。此外，在Nb₂C相應的MXenes材料中發現了低溫區超導性的現象，這主要得益于表面修飾作用對晶格軸應力、聲子頻率、電子-聲子耦合強度的調控使得MXene材料表現出了超導特性。相關研究成果以“Covalent surface modifications and superconductivity of two-dimensional metal carbide MXenes”為題于2020年8月21日在線發表于Science上。

文獻鏈接：“Covalent surface modifications and superconductivity of two-dimensional metal carbide MXenes”(Science，2020，10.1126 / science.aba8311)

11：Science：具有普適性的層狀二維材料MoSi2N4的化學氣相沉積生長策略

中科院金屬研究所任文才團隊（通訊作者）在非層狀氮化鉬（MoN₂）化學氣相沉積生長（CVD）過程中引入了元素硅（Si），可以鈍化非分層2D?MoN₂的表面，從而使得MoSi₂N₄的厘米級單層膜得以生長。該單層由N-Si-N-Mo-N-Si-N的原子層構成，可以看作MoN₂層夾在兩個Si-N雙層之間。由此制備出的材料表現出帶隙約為1.94?eV的半導體性能，約為66?GPa的高強度以及出色的環境穩定性。同時通過密度泛函理論計算預測了此類單層結構二維層狀材料的大家族，包括半導體，金屬和磁性半金屬材料。相關研究成果以“Chemical vapor deposition of layered?two-dimensional MoSi₂N₄?materials”為題于2020年8月7日在線發表于Science上。

文獻鏈接：“Chemical vapor deposition of layered?two-dimensional MoSi₂N₄?materials”(Science，2020，10.1126/science.abb7023)

12：Nature:新型光化學脫氫策略用于苯胺合成

曼徹斯特大學的Daniele Leonori（通訊作者）等人報道了一種非典型的cross-coupling方法，利用環己酮作為芳基親電試劑用于苯胺（anilines）的構建。氨基和羰基的縮合是自然界中經常發生的反應，能夠實現位點選擇性的C-N成鍵反應，同時基于光氧化還原以及鈷基催化系統則可以逐步地減小環已烯的化學鍵飽和度，最終形成苯胺。鑒于羰基活性較強能夠比較容易地進行環己酮功能化，這一新型碳氮鍵cross-coupling方法能夠避免芳基化學中常見的選擇性問題，在藥物合成和天然產物芳香化等領域具有潛在的應用價值。2020年08月05日，相關成果以題為“A photochemical dehydrogenative strategy for aniline synthesis”的文章在線發表在Nature上。

文獻鏈接：A photochemical dehydrogenative strategy for aniline synthesis（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2539-7）

13.Nature：可降解和可回收熱固性塑料成為現實

美國麻省理工學院化學系Jeremiah A. Johnson課題組（通訊作者）根據工業化的熱固性聚雙環戊二烯（pDCPD）和開環移位聚合（ROMP）共聚單體設計的最新進展，研究表明在傳統固化工作流程中，使用共聚單體添加劑將少量可裂解鍵選擇性地安裝在熱固性材料鏈中時，所得材料可以表現出與天然材料相同的力學性能，但它們會發生輕微降解，從而產生可溶解、可回收的可控尺寸和功能產品。相反，即使在高得多的負載下，可裂解交聯的安裝也不會產生可降解的材料。該設計原理可能適用于通過反應性聚合物（圖1a）交聯形成的其他材料，包括丙烯酸，苯乙烯-二乙烯苯，硫化橡膠和硅酮，并且可能使人們能夠尋找新穎的可裂解共聚單體，從而有助于設計可持續的塑料和彈性體。這些發現表明，可裂解鍵位置的優化可以用作實現受控的熱固性降解的設計原理。此外，作者還介紹了一類可快速設計的可回收熱固性材料。相關研究成果以“Cleavable comonomers enable degradable, recyclable thermoset plastics”為題于2020年7月22日在線發表在Nature上。

?文獻鏈接：“Cleavable comonomers enable degradable, recyclable thermoset plastics”(Nature，2020，10.1038/s41586-020-2495-2)