向國慶獻禮？國內學者在Nature、Science上大爆發！

youyoucao 2年前 (2021-10-01) 2295瀏覽

9月份國內學者收獲頗豐，總計收入5篇Nature、Science。而在10月1日，又有3篇國內的Science上線。特別的，中科院天津工業生物技術研究所馬延和團隊實現人工合成淀粉零突破，引起了全網轟動，國內各大官方主流媒體紛紛報道。

本篇文章為大家梳理了9月份材料、化學領域NS發文情況。相關成果已收錄入材料人最新上線產品庫。

NATURE

1. 高鴻鈞&汪自強Nature：揭秘釩基Kagome金屬中相關電子態和超導性的微觀起源

中國科學院物理研究所高鴻鈞教授，美國波士頓學院汪自強教授聯合報道了使用掃描隧道顯微鏡/光譜(STM/STS)和約瑟夫森STS在CsV3Sb5中觀察到的非常規超導性和對密度波 (PDW)。研究發現，CsV3Sb5具有V型對隙Δ~0.5 meV，是一種強耦合超導體(2?/kBTc~5)，與 4a0 單向和 2a0×2a0 電荷順序共存。值得注意的是，作者發現一個3Q PDW伴隨著超導間隙、相干峰和隧穿電導間隙深度的雙向4a0/3空間調制。本工作將這種新的量子態稱為與底層渦旋-反渦旋晶格相關的roton-PDW，它可以解釋觀測到的電導調制。研究結果顯示出與高溫銅酸鹽超導體現象的驚人相似和區別，并為理解釩基Kagome金屬中相關電子態和超導性的微觀起源提供了基礎。該文章近日以題為“Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor”發表在知名頂刊Nature上。

文獻鏈接：Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor (Nature2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03983-5)

2. Nature：電荷復合對有機太陽電池中三重態激子的作用

非富勒烯受體（NFA）在有機太陽能電池中的應用使其功率轉換效率高達18%。然而，有機太陽能電池的效率仍然低于無機太陽能電池，后者的功率轉換效率通常超過20%。造成這種差異的一個關鍵原因是有機太陽能電池由于非輻射復合，相對于它們的光學帶隙具有較低的開路電壓。為了使有機太陽能電池在效率上超過無機太陽能電池，必須識別和抑制非輻射損耗途徑。

來自劍橋大學，蒙斯大學，加州大學圣巴巴拉分校的科研團隊發現在大多數使用NFA的有機太陽能電池中，開路條件下的大部分電荷復合是通過形成非發射的NFA三重態激子進行的；在基準PM6:Y6混合物中這一比例達到90%，從而使開路電壓降低60mV。本文通過設計NFA三重態激子和自旋三重態電荷轉移激子之間的實質性雜交來阻止通過這種無輻射通道的復合。模型表明，從自旋三重態電荷轉移激子到分子三重態激子的背電荷轉移速率可以降低一個數量級，使自旋三重態電荷轉移激子重新解離。本文展示了抑制三重態激子形成的NFA系統。這項工作為太陽能電池的設計提供了一條途徑，其能量轉換效率可達20%或更高。相關工作以題為“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells”的文章在《Nature》發表。

文獻鏈接：The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells?(Nature2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03840-5)

3. 斯坦福大學Nature:層狀鈣鈦礦異質結的定向自組裝

美國斯坦福大學Hemamala I. Karunadasa教授（通訊作者）展示了一種在水溶液中將層狀鈣鈦礦-非鈣鈦礦異質結自組裝成大單晶的合成策略。使用雙功能有機分子作為導向基團，作者分離出了六層異質結，其形狀為具有不同無機晶格的鈣鈦礦板的交錯，這也是以前未知的鈣鈦礦晶體。在許多情況下，這些共生晶格是典型無機結構類型的二維同系物。研究表明，這些化合物是第一個使用有機模板形成的層狀鈣鈦礦異質結，并通過單晶X射線衍射表征得到驗證。值得注意的是，這種無機結構的交錯可以顯著改變能帶結構。光學數據和第一性原理計算表明，鈣鈦礦和共生層之間的實質性耦合，導致分布在兩個亞晶格上的新電子躍遷。鑒于鹵化物鈣鈦礦的技術前景，這種直觀的合成路線為在水中自組裝，從而定向合成結構豐富的復雜半導體奠定了基礎。相關研究成果以“Directed assembly of layered perovskite heterostructures as single crystals”為題發表在Nature上。

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

4. 背靠背Nature：菱方石墨烯的超導性和鐵磁性

在二維材料器件中通過電場效應獲得超導性是納米電子學孜孜以求的中心目標。近年來頻繁在Nature、Science上發文的曹原，其對石墨烯摩爾異質結構研究所取得的一大突破正是在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，從而可實現絕緣體到超導體的轉變。然而，這類石墨烯異質結構目前面臨著一個重大的難題，那就是特定的旋轉角度使得整個材料的制備非常困難，所得材料也不能穩定存在，這些都為材料的進一步發展帶來了極大的挑戰。

在這樣的研究背景下，美國加州大學圣芭芭拉分校的Andrea F. Young（通訊作者）課題組近期在同一天以“unedited manuscript”的形式于Nature上背靠背發表了兩篇關于菱方三層石墨烯的最新研究文章，這些研究發現菱方石墨烯具有非凡的超導性和鐵磁性，大大開拓了石墨烯材料應用可能。兩篇論文的第一作者周昊欣，其中一篇文章的共同第一作者為Tian Xie，2021年9月1日，研究成果分別以題為“Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene”和“Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene”發布在Nature上。

文獻鏈接：Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03926-0.

作者在同位旋對稱性破缺轉變（isospin symmetry breaking transition）的尖端（cusp）發現，菱方三層石墨烯（RTG）具有超導性。RTG是一種結構亞穩態的碳同素異形體，而超導發生在兩個不同的柵極調諧區（SC1 和 SC2），符合由平均自由程和超導相干長度之比的定義。通過量子振蕩對正常狀態費米表面的映射表明，兩個超導體都從環形費米海中出現。盡管SC1 從順磁正常狀態出現，而 SC2 從自旋極化、谷非極化的半金屬狀態出現，并且打破了面內磁場的泡利極限至少一個數量級。作者依照多種機制包括聲子介導配對等，對實驗結果進行討論，以此來檢驗這類關于超導性的競爭性理論模型，同時也實現了一類基于相關電子現象和彈道電子輸運的新型場效應受控電子器件。

作者聚焦在以“ABC”方式菱方堆疊石墨烯三層上，發現菱方三層石墨烯中的范霍夫奇點能夠驅動電子系統自發鐵磁極化轉變成一個或多個自旋/谷模式。利用容量和輸運測量，作者觀測了一系列相間的密度/電子取代場調諧轉變，在這些相中量子震蕩具有4倍、2倍或者1倍簡并度，分別與自旋/谷簡并正常態金屬、自旋極化“半金屬”以及自旋/谷極化“四分之一金屬”。對于電子摻雜來說，突出數據被包含了谷-各向異性相互作用的現象學斯通納模型所捕捉；而對于空穴填充來說，作者在費米表面拓撲上觀察到了更加豐富的相圖及其轉變。最后，作者利用旋轉對齊六方氮化硼襯底引入了摩爾超晶格，并展示了菱方石墨烯作為多體理論可控測試的理想平臺的潛力，揭示了摩爾材料中的磁性。

文獻鏈接：Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03938-w.

5. 紐約大學/芝加哥大學Nature:無機中空微膠囊實現活細胞的基本功能

美國紐約大學Stefano Sacanna和芝加哥大學William T. M. Irvine（共同通訊作者）設計，構建和測試了無機細胞模擬物，包括具有完全可調尺寸的單通道膠囊，可控微米和亞微米尺度跨膜的非平衡質量傳輸，可以通過簡單的全局變量（照明和pH）脫離平衡，以捕獲，濃縮，存儲和傳遞通用的微觀有效載荷。具體來講，包括三個關鍵組成部分：半透膜，自發“膨脹”的結果；用于物質交換的明確微孔；一個由光激活的內部泳動泵。本文的設計沒有借用生物學材料，而是使用空心膠體作為球形細胞膜模擬物，具有明確定義的單個微孔。其中，精確可調的單分散膠囊是自膨脹機制的結果，可以批量生產。在中空結構內部，光開關催化劑能夠產生化學梯度，通過膜的微孔傳播到外部，并將目標物體泵入細胞。由微孔的幾何形狀產生的熵能壘，即使在切換催化劑時也能保留。本文的發現為開發下一代智能材料，自主微機械和人工細胞模擬物提供了藍圖。相關研究成果以“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”為題發表在Nature上。

文獻鏈接：“Transmembrane transport in inorganic colloidal?cell-mimics”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03774-y

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6. 復旦彭慧勝團隊年度再發Nature：穿在身上的纖維鋰離子電池

在復旦大學彭慧勝教授和陳培寧副研究員（共同通訊作者）團隊帶領下，研究了這種纖維的內阻與纖維長度呈雙曲余切函數關系，隨著纖維長度的增加，內阻先減小后趨于均勻。研究證實，這種意想不到的結果適用于不同的纖維電池。通過優化可擴展的工業流程，能夠生產數米的高性能纖維鋰離子電池。根據包裝在內的鈷酸鋰/石墨全電池的總重量，大規模生產的纖維電池的能量密度為每公斤85.69Wh（典型值小于每公斤1Wh）。經過500次充放電循環后，其容量保持率達到90.5%，1C倍率下的容量保持率達到93% （與0.1C倍率容量相比），可與軟包電池等商業電池相媲美。纖維彎曲10萬次后，可保持80%以上的容量。團隊還展示了工業劍桿織機將纖維鋰離子電池編織到安全且可清洗的紡織品中，可以為手機無線充電，或為集成了纖維傳感器和紡織品顯示器的健康管理夾克供電。相關成果以題為“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”發表在了Nature。

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

SCIENCE

1. 中科院天津工業生物技術研究所Science：人工合成淀粉實現零突

中科院天津工業生物技術研究所馬延和團隊以二氧化碳和氫作為原料，采用一種類似“搭積木”的原理，通過耦合、化學催化和生物催化模塊體系，通過11步反應實現了二氧化碳到淀粉的轉化。在化學酶系統中，人工淀粉合成途徑（ASAP）在氫的驅動下，二氧化碳會以每分鐘22 nM的速度轉化為淀粉，比玉米中合成淀粉的速度高約8.5倍。這一途徑為今后利用CO2合成化學-生物雜化淀粉開辟了道路。相關成果以題為“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”發表在了Science上。

本工作采用一種類似“搭積木”的方式，通過模塊化組裝和替換的策略，利用化學催化劑將高濃度CO2在高密度氫能環境下還原為一碳（C1）化合物；然后根據化學聚糖反應原理設計了碳一聚合新酶，將一碳化合物聚合成三碳（C3）化合物；最后通過優化生物途徑，將三碳化合物聚合成六碳（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物），共計11步反應實現了二氧化碳到淀粉的轉化。與此同時，本工作還通過對31個生物體的62種酶的11個模塊進行組裝和替換，建立了以甲醇為起始原料的10個酶促反應的人工淀粉合成途徑(ASAP) 1.0。通過同位素13C標記實驗檢測ASAP 1.0的主要中間體和目標產物，驗證其對甲醇合成淀粉的全部功能。

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

2. 加州大學孟穎團隊Science:硅基電池新突破！硫化物固態電解質助力高載量無碳純硅全電池

美國加州大學圣地亞哥分校Ying Shirley Meng（孟穎）教授和陳政博士（共同通訊作者）通過使用硫化物固態電解質的界面鈍化特性實現了質量分數為99.9的無碳純硅負極穩定循環。與傳統的液態電池結構不同，SSE不滲透多孔μSi電極，并且SSE和μSi電極之間的界面接觸面積減少到二維（2D）平面。在μSi鋰化后，盡管體積膨脹，但二維平面仍被保留，從而防止了新界面的產生。研究表明，體相μSi表現出3×10-5?S cm-1的電子電導率，與最常見的正極材料（10-6至10-4?S cm-1）相當，因此不需要額外的碳添加劑。在μSi的鋰化過程中，Li-Si的形成可以在整個電極中傳播，這得益于Li-Si和μSi顆粒之間的直接離子和電子接觸。體相和表面表征以及界面成分的量化表明，這種策略消除了連續的界面生長和不可逆的鋰損失。同時，這個過程是高度可逆的，不需要任何過量的鋰。此外，由99.9wt% μSi組成的μSi||SSE||NCM811全電池在載量為11 mAh cm-2和電流密度5 mA cm-2的情況下，實現了在-20°C和80°C之間的穩定運行，在5 mA cm-2下的穩定循環500次后可提供80%的容量保持率，從而證明了ASSB實現的μSi負極的整體循環穩定性。性能優異的原因可歸因于微米級硅和硫化物電解質之間理想的界面性能以及鋰硅合金的獨特化學機械行為。相關研究成果以“Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes”為題發表在Science上。

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

3. 金屬所盧磊Science：高強塑梯度納米位錯結構高熵合金

多主元高熵合金的強度提高往往伴隨塑性的降低，這種強塑性相互矛盾主要來源于金屬材料的塑性變形機理。即材料中的線缺陷，如位錯的運動貢獻塑性，但位錯的堆垛與塞積則貢獻強度。近期，金屬所沈陽材料科學國家研究中心盧磊研究員團隊與美國田納西大學、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室的科學家合作在這一科學難題研究方面取得重要進展。研究人員通過小角度往復扭轉梯度塑性變形技術，在Al0.1CoCrFeNi高熵合金中引入梯度位錯胞穩定結構，同時保持其原始晶粒的形貌、尺寸和取向不變。拉伸力學測試結果表明：這種新型結構不僅顯著提高材料屈服強度，是粗晶和細晶材料的2-3倍。同時還使其保持良好的塑性和穩定均勻的加工硬化。其強塑積-屈服強度匹配明顯優于文獻報道中相同成分的均勻或梯度結構材料。對變形機理的研究結果表明：從材料的頂部表面到心部，合金在變形過程中存在顯著的連續硬化。這種硬化特性與梯度納米晶常規金屬的變形誘導連續軟化的機制有很大的不同。高熵合金中梯度位錯結構在塑性變形過程中激活了不全位錯--層錯的相互作用，從而誘導塑性變形機制。在變形初期，納米級別的細小層錯從位錯胞壁形核、然后不斷滑移并擴展，其密度隨拉伸應變增加而增加，逐漸演變成超高密度三維層錯（和少量孿晶界）網格，直至布滿整個晶粒。超高密度細小層錯/孿晶的形成與位錯相互作用，協調變形。一方面有效促進了其塑性變形并進一步細化初始位錯結構、阻礙其它缺陷運動而貢獻強度。另一方面，層錯和孿晶的形成阻礙了位錯的平均自由程，增加了合金內部缺陷的密度，從而導致合計超級的加工硬化，提高了整體的塑性變形。相關研究結果于9月23日在《科學》（Science）周刊上以First Release形式在線發布。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abj8114.

4. Science：通過抑制欠摻雜YBa2Cu3O7-δ中的電荷密度波恢復奇異金屬相

查爾默斯理工大學Riccardo Arpaia、Floriana Lombardi團隊利用其單胞在襯底誘導的強應變下的幾何修飾調諧銅酸鹽材料YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜中的基態來探究CDW與T線性行為偏離之間的關系。本工作發現，當抑制共振非彈性x射線散射檢測到的CDW振幅時，高應變、超薄、欠摻雜的YBa2Cu3O7-δ薄膜的T線性電阻率得到恢復。這一發現暗示了欠摻雜銅酸鹽中CDWs的出現與T線電阻率的偏離密切相關。本工作的結果說明了使用應變控制來操縱量子材料基態的潛力。相關成果以題為“Restored strange metal phase through suppression of charge density waves in underdoped YBa2Cu3O7–δ”發表在了Science上。

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

5. Science封面：低溫鍛造納米孿晶鈦以實現超高強度和延展性
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加州大學伯克利分校、北京航空航天大學趙士騰團隊報道了一種低溫鍛造加工技術，可以在純Ti (質量分數為99.95% Ti和0.05% O)中生成有層次結構的納米孿晶。由于O會抑制Ti中的孿晶，因此作者選擇超低O含量(低于商用純Ti )來促進孿生傾向，從而實現了超高的強度和延展性。多尺度納米孿晶Ti的熱穩定性高達873開爾文（遠高于純Ti的77開爾文），因此可應用于絕大多數的極端環境中。作者發現，液氮溫度下大量孿晶強化了加工硬化能力，說明納米孿晶Ti在較高應變速率下會表現出較高的抗沖擊性能。由于豐富的納米孿晶邊界為溝道點缺陷提供了高密度的界面，從而阻止了空洞的形成納米孿晶Ti，因此還具有良好的抗輻射損傷能力。本工作使用經濟效益更高的方法在純Ti中誘導合成了納米孿晶，實現了超高的強度、熱穩定性和延展性。相關成果以題為“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”發表在了Science上，并被選為Science封面。

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

6. 段鑲鋒/黃昱夫婦聯手Science：突破微生物燃料電池的極限

加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒/黃昱夫婦聯合報告了一個合理的策略，以促進用還原氧化石墨烯-銀納米顆粒（rGO/Ag）支架構建的希瓦氏菌MFCs的跨膜和細胞外電子傳輸過程。由此產生的希瓦氏菌-銀MFC可提供的最大電流密度為3.85 mA/cm2，功率密度為0.66 mW/cm2，單細胞周轉頻率為8.6×105/s，這些都是迄今為止報告的性能最好的MFC。此外，混合MFC具有出色的燃料利用效率，庫侖效率為81%。該文章近日以題為“Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells”發表在知名頂刊Science上。

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

7. Science:鐵基超導中發現介觀向列波

日本理化學研究所T. Shimojima（同時也為共同第一作者）和東京大學的S. Shin（共同通訊作者）等人在低溫激光-光電子顯微鏡中，利用線性二色性（LD）繪制了非磁性FeSe和反鐵磁性BaFe2 (As0.87P0.13)2這兩種鐵基超導體的向列序參量。研究發現，與具有原子級疇壁的結構域不同，上述兩種材料的LD圖案都顯示出了獨特的電子向列性正弦波，并且波長比晶胞高出1000倍以上。作者認為，這一發現對于電子向列性的理論研究來說意義重大。東京大學的Y. Motoyui為共同第一作者，2021年09月03日，相關成果以題為“Discovery of mesoscopic nematicity wave in iron-based superconductors”的文章在線發表在Science上。

文獻鏈接：Discovery of mesoscopic nematicity wave in iron-based superconductors（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abd6701）

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