2021年 這些國內學者發了Nature、Science！
今天是2022年第二天，回望精彩的2021年，有哪些研究進展讓你印象深刻？
材料人為您精選2021年以來材料領域中，中國學者（通訊單位為國內機構）發表在頂級期刊Nature和Science上的優秀工作。人工統計，如有遺漏，請在留言區指出。
1.蚌埠醫學院林清芳、陳飛劍：一種具有相交三維特大孔的穩定硅鋁酸鹽沸石
蚌埠醫學院的林清芳、陳飛劍課題組聯合馬德里材料研究所的高子豪和Miguel A. Camblor、北京大學/香港理工大學的林聰、北京大學/斯德哥爾摩大學的黎建以及中國石油大學（華東）的陳小博等人，共同報道了一種全新的硅鋁酸鹽沸石ZEO-1，它具有較高的Si含量（Si/Al比為14.5）、非中斷全連接的骨架結構以及優異的熱穩定性和水熱穩定性。ZEO-1結構復雜，其孔道由三維（3D）超大十六元環（16MR）孔道和三維十二元環（12MR）孔道組成，兩套孔道系統高度聯通，并在孔道交叉處形成了三種具有四個16MR和/或12MR窗口的超籠，其中的兩種超籠比FAU、EMT、PST-32和PST-2的超籠更大。這些結構特征使得ZEO-1成為兼具超低骨架密度和超高比表面積的穩定沸石之一，而孔道中的活性酸性位點又使得ZEO-1在催化裂化（FCC）反應中展現出優異的重油轉化率和輕質燃料（汽油、柴油和液化石油氣）選擇性，其性能媲美甚至超越工業上高度優化的超穩Y沸石（USY，FAU結構）。相關研究成果以“A Stable Aluminosilicate Zeolite with Intersecting Three-Dimensional Extra-large Pores”為題于12月24日在線發表于國際頂級學術刊物Science雜志上。
文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk3258
?2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所朱敏、宋志棠：實現無相分離操作的基本電氣開關
中國科學院上海微系統與信息技術研究所朱敏研究員和宋志棠研究員團隊等人帶領下，提出了一種單元素碲（Te）易失性開關，具有較大的驅動電流密度（≥11兆安培/平方厘米），~103開/關電流比，超過20納秒的開關速度。低OFF電流是由于Te電極界面上存在~0.95電子伏肖特基勢壘而產生的，而純Te的瞬態電壓脈沖誘導晶液熔融轉變則導致高ON電流。研究發現的單元素電子開關可能有助于實現更密集的存儲芯片。相關成果以題為“Elemental electrical switch enabling phase segregation–free operation”發表在了Science。
文獻鏈接：Elemental electrical switch enabling phase segregation–free operation（Science，2021，DOI:10.1126/science.abi6332）
?3.廈門大學李劍鋒和北京大學深圳研究生院潘鋒：原位拉曼光譜揭示界面水的結構和解離
廈門大學李劍鋒教授和北京大學深圳研究生院潘鋒教授課題組合作，結合電化學、原位拉曼光譜和計算技術，在電催化析氫反應過程中，對鈀單晶電極/溶液界面水分子的構型及其動態變化過程進行實時監測。直接光譜證據表明，界面水分子由氫鍵和水合Na+離子水組成。在析氫反應(HER)電位下，由于偏置電位和Na+離子的協同作用，觀察到界面水分子結構從隨機分布到有序結構的動態變化。這種結構有序的界面水分子促進了界面上的高效電子轉移，從而提高了HER速率，為指導綠色制氫提供新的理論途徑。此外，作者還發現電解液和電極表面會影響界面水的結構。相關研究成果以“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water.” Nature 600, 81–85 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04068-z
?4.吉林大學劉冰冰、姚明光：來自塌陷富勒烯的超硬塊狀非晶碳
吉林大學劉冰冰、姚明光課題組，采用自主研發的大腔體壓機超高壓技術，利用C60碳籠壓致塌縮形成的“非晶碳團簇”這一新的構筑基元，更高溫壓區間首次成功合成了毫米級近全sp3非晶碳塊體材料，并且體積是早期研究中生產的103-104倍。該材料具有高質量、毫米級、透明的優異性能，sp3碳含量最高可達97.1%。并且本工作合成的近全sp3非晶碳具有優異的力、熱、光學性能，光學帶隙為2.7 eV，維氏硬度達到102?GPa，楊氏模量高達1182?GPa，可與金剛石相提并論，熱導率高達26 W/mK，是目前非晶態材料中發現的硬度、熱導率、模量最高的材料。上述發現有助于了解通過高壓和高溫技術合成塊體非晶材料，并為非晶固體的應用提供新的思路。相關論文以題為“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”發表在Nature上。
文獻鏈接：“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene.” Nature 599, 599–604 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03882-9
?6.中國科學院金屬研究所盧磊：具有卓越強度和延展性的梯度納米位錯胞結構高熵合金
中國科學院金屬研究所盧磊研究員團隊等人帶領下，在具有面心立方結構的穩定單相HEA中可控地引入了梯度納米位錯胞結構，從而在不明顯喪失延展性的情況下提高了強度。在施加應變時，樣品級的結構梯度誘導了高密度的微小堆垛層錯（SFs）和孿晶的逐步形成，從大量的低角度位錯胞成核。此外，SF誘導的塑性和由此產生的精細結構，加上密集積累的位錯，有助于塑性、強度增加和加工硬化。這些發現為在納米尺度上用梯度位錯胞定制特性提供了一個有前景的范例，并促進了研究人員對HEAs內在變形行為的基本理解。相關成果以題為“Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”發表在了Science上。
文獻鏈接：Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility（Science，2021，DOI:10.1126/science.abj8114）
?7.西交金明尚、加州大學殷亞東、上交鄔劍波：掌握鉑催化劑的表面應變以實現高效電催化
西安交通大學的金明尚、美國加州大學河濱分校的殷亞東和上海交通大學的鄔劍波等人聯合發現，當超薄鉑殼層沉積在鈀基納米管上時，納米管通過磷化作用和去磷化作用可發生擴張或收縮，從而引發Pt（100）晶格的應變變化，其變化范圍可從?5.1%調整到5.9%。作者利用這一應變控制策略調控鉑殼層的電催化活性，并發現針對甲醇氧化和析氫反應的應變-活性的相關關系分別遵循M型曲線和穹形火山型曲線。該方法未來可用于篩選晶格應變，從而優化金屬催化劑的性能。該文章近日以題為“Mastering the surface strain of platinum catalysts for efficient electrocatalysis”發表在知名頂刊Nature上。
文獻鏈接：Mastering the surface strain of platinum catalysts for efficient electrocatalysis (Nature 2021, doi: 10.1126/science.abf3427)
?8.中國科學技術大學梁海偉、林岳與北京航空航天大學水江瀾：用于燃料電池的鉑金屬間化合物納米顆粒催化劑的硫錨定合成
中國科學技術大學梁海偉教授、林岳博士與北京航空航天大學水江瀾教授課題組合作，通過一種高溫硫錨定合成方法，在多孔硫摻雜碳（S-C）載體上制備了平均粒徑< 5 nm的鉑金屬間化合物。本工作合成了由46種鉑與其他16種金屬元素組成的小尺寸金屬間化合物催化劑庫，并將其用于研究IMCs電催化氧還原活性與其二維晶面應力之間的關聯性。所制備的部分金屬間化合物催化劑在質子交換膜燃料電池中具有很高的質量效率，可以在0.9V下實現1.3～1.8 A mgPt-1的高活性。相關論文以題為“Sulfur-anchoring synthesis of platinum intermetallic nanoparticle catalysts for fuel cells”發表在Science上。
文獻鏈接：Sulfur-anchoring synthesis of platinum intermetallic nanoparticle catalysts for fuel cells (Science 2021, doi: 10.1126/science.abj9980)
?9.清華大學南策文、林元華和中國科學院物理所金奎娟：超順電弛豫鐵電體中的超高能量存儲
清華大學南策文院士，林元華教授和中國科學院物理所金奎娟教授（共同通訊作者）展示了通過超順電態（SPE）設計可大幅度提高弛豫鐵電薄膜的能量存儲性能。究其原因，薄膜納米域按比例縮小為幾個單元的極性簇，因此幾乎消除了極化切換滯后，同時保持了相對較高的極化。具體而言，作者制備了一系列釤（Sm）摻雜的yBiFeO3-(1-y)BaTiO3（Sm-BFBT；y=0.1 到0.9）弛豫鐵電薄膜，Sm摻雜劑可以有效地增加局部異質性。同時，模擬了與溫度相關的介電常數、域結構等。在30%超順電Sm摻雜鐵酸鉍-鈦酸鋇薄膜中實現了每立方厘米152焦耳的超高能量儲存密度，并顯著提高了儲能效率（在3.5兆伏/厘米的電場下超過了90%）。更加重要的是，充放電的可靠性和在寬溫度范圍內的性能穩定性也充分證明了弛豫鐵電薄膜出色性能。相關研究成果以“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”為題發表在Science上。
文獻鏈接：“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”(Science，2021，10.1126/science.abi7687)
10.南方科技大學郭旭崗：有機半導體的過渡金屬催化分子n摻雜
南方科技大學的郭旭崗和瑞典林雪平大學的Antonio Facchetti課題組合作，展示了使用空氣穩定前體型分子摻雜劑對有機半導體進行催化n摻雜的策略。如實驗和理論證據所展現的，將過渡金屬（例如，Pt、Au、Pd）作為氣相沉積納米顆粒或溶液可加工有機金屬絡合物（例如，Pd2(dba)3）摻入催化反應，從而在更短的摻雜時間和高導電率下大大提高η。該方法對實現改進的半導體器件具有技術意義，并為包括催化劑、分子摻雜劑和半導體的三元體系提供了廣闊的探索空間，從而為n摻雜研究和應用開辟了新的機遇。該工作以“Transition metal-catalysed molecular n-doping of organic semiconductors”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“Transition metal-catalysed molecular n-doping of organic semiconductors”. Nature 599, 67–73 (2021). https://doi-org-443.webvpn.bjmu.edu.cn/10.1038/s41586-021-03942-0
?11.香港城大劉錦川院士：3D打印超級鈦合金
香港城市大學的劉錦川院士課題組，創造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優異的力學性能。研究者創造性地將成分調制的概念和3D打印結合起來，另辟蹊徑地設計出具有微米級成分梯度結構的合金設計策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設計成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術的想象空間，使得這項技術不僅僅被用作復雜構件的成型技術，更可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。該工作以題為 “Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces” 在國際頂級期刊Science上成功發表。
文獻鏈接：“Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces” (2020) DOI: 10.1126/science. abb6830.
?12.中國科學院物理研究所高鴻鈞：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 (Nature 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03983-5)
?13.中科院天津工業生物技術研究所馬延和：人工合成淀粉實現零突破
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。
文獻鏈接：Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide (Nature 2021, DOI: https://doi.org/10.1126/science.abh4049)
14.中科院外籍院士沈志勛：摻雜1D銅酸鹽鏈中異常強的近鄰引力
斯坦福大學的中科院外籍院士，美國三院院士沈志勛和斯坦福大學Thomas P. Devereaux以共同通訊作者身份，通過合成一維Ba2-xSrxCuO3+d，成功實現了角共享杯狀物鏈中廣泛的空穴摻雜。作者通過角度分辨光發射實驗揭示了全息子和自旋子分支的摻雜演化，確定了一個突出的折疊分支，其強度與簡單的哈伯德模型的預測不匹配。本工作發現一個額外的強近鄰吸引，可能是由于耦合到聲子上而產生的，定量解釋了所有可達摻雜水平的實驗。考慮到銅酸鹽在結構和量子化學上的相似性，這種吸引力將在高tc超導對應物中發揮同樣關鍵的作用。相關研究成果以“Anomalously strong near-neighbor attraction in doped 1D cuprate chains”為題發表在Science上。
文獻鏈接：“Anomalously strong near-neighbor attraction in doped 1D cuprate chains”(Science，10.1126/science.abf5174)
?15.復旦大學彭慧勝：穿在身上的纖維鋰離子電池
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上。
文獻鏈接：Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03772-0）
?16.華中科技大學陶光明、浙江大學馬耀光：新型衣服材料助力體感溫度最高降低8℃
華中科技大學陶光明教授和浙江大學馬耀光教授將被動輻射制冷結構引入個人熱管理技術，有效地保護人體免受日益加劇的全球氣候變化的影響。具體來講，作者設計了一種具有分級形態結構的超材料織物，織物主體由氧化鈦-聚乳酸（TiO2-PLA) 復合纖維編織而成，其上層壓了一層厚度約為50?μm的聚四氟乙烯 (PTFE) 服裝膜。超材料織物在太陽輻射波段（0.3-2.5μm）具有92.4%的反射率，在中紅外波段（8-13 μm）具有94.5%的發射率。同時，通過可批量生產的工業紡織品制造路線，織物展現出可與商業服裝比擬的機械強度，防水性和透氣性，并具備高效的輻射冷卻能力。實際應用測試表明，與商用白色棉織物相比，使用本文的超織物對人體皮膚表面最高降溫可達約4.8℃（廣州，2020年12月7日）。這項技術基于結構設計，精準化光學響應，使黑體輻射趨于極限，驗證了優異的輻射制冷效果，具備低成本、可規模化制備和產業化等優勢。相關研究成果于2021年7月以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”為題發表在Scienc上。
文獻鏈接：“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”(Science, 2021, 10.1126/science.abi5484)
?17.暨南大學陸偉剛、李丹：丙烯/丙烷混合物的正交陣列動態分子篩分
剛性分子篩分材料適用于小分子，完全排除大分子，使用動態分子篩分材料可以分離出物理化學性質相匹配的分子。金屬有機框架(MOFs) 因其在分子水平上的結構和功能的精確控制而聞名。然而，在動態分子篩分的MOF框架中合理設計局部靈活性仍然是困難和挑戰。為了解決上述問題，?暨南大學陸偉剛/李丹教授等人提出了一種新的篩分機制（?正交陣列動態篩分），成功解決了傳統分子篩吸附動力學緩慢和吸附量低的問題。?基于此篩分機制的MOF材料（JNU-3）能夠快速分離丙烯/丙烷（1/1）混合物，每公斤JNU-3可以得到53.5升聚合純（99.5 %）的丙烯，潛在的分離機制（正交陣列動態分子篩分）既能實現大的分離容量，又能實現快速的吸附-脫附動力學。這項工作提出了下一代篩分材料的設計，有潛力應用于吸附分離。相關研究以“Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures”為題目，發表在Nature上。
文獻鏈接：“Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures”(Nature, 2021, 10.1038/s41586-021-03627-8)
18.上海大學鐘云波、北京科技大學王沿東：分層裂紋緩沖使共晶人字形高熵合金的延展性增加三倍
上海大學鐘云波教授團隊聯合北京科技大學王沿東教授團隊合作，展示了一種定向凝固的原位復合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地協調了裂紋容限和高延伸率。可控凝固后的共晶高熵材料呈現出一種新型的多級共晶魚骨結構，能夠實現仿生的多級裂紋緩沖。這種效應結果誘導了穩定、持續、沿晶體學跡線生長的微裂紋，因而在塑性差的共晶層片中形成了高密的多重微裂紋。驚訝的是，相鄰的動態應變硬化韌性共晶層片可以施加給這些裂紋一種多級的裂紋緩沖效應，因而有效地避免了裂紋不可控的災難性生長和破壞。研究的自緩沖共晶魚骨高熵材料產生了超高的均勻拉伸延伸率（約50%），是傳統不具備緩沖能力EHEAs的3倍，且沒有犧牲強度。這項成果以題為“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”發表在了Science上。
文獻鏈接：“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”(Science, 2021, 10.1126/science.abf6986)
?19.浙江理工大學左彪：遷移率梯度在聚合物玻璃頂部產生橡膠表面
浙江理工大學左彪副教授聯合美國南佛羅里達大學David S. Simmons教授以及普林斯頓大學 Rodney D. Priestley教授提出了模擬、理論和時間分辨表面納米蠕變實驗，以揭示玻璃態聚合物表面的這種雙尺度性質，即使在由短的亞纏結鏈組成的聚合物中，也會導致瞬間橡膠狀、纏結狀表面行為的出現。作者研究發現，這種效應產生于分段動力學和鏈構象統計中的疊加梯度。這種橡膠行為的壽命隨著材料的冷卻而延長，這將在限制聚合物玻璃的摩擦學、粘附和表面愈合等應用的表面松弛方面產生廣泛的影響。該文章近日以題為“Mobility gradients yield rubbery surfaces on top of polymer glasses”發表在知名頂刊Nature上。
文獻鏈接：Mobility gradients yield rubbery surfaces on top of polymer glasses (Nature, 2021, doi: 10.1038/s41586-021-03733-7)
?20.浙江大學馮建東：溶液中單分子電化學反應的直接成像
浙江大學馮建東（通訊作者）報道了在水溶液中單分子電化學反應的光學成像及其在超分辨率顯微鏡中的用途。該方法利用化學發光反應（ECL），這是一種通過在電極上施加一定波形的電壓或電流信號，進行電解反應的產物之間或與體系中共存組分反應產生化學發光的現象，其在電極處電化學產生的釕絡合物，從而確保最小的背景信號（不需要激光來產生發射），進而實現對溶液中單個化學產生的單光子進行成像。研究表明，其能夠直接捕獲單個反應的電化學發光的單光子，并開發超分辨率電化學發光顯微鏡，以高時空分辨率對活細胞的粘附動力學進行成像，從而實現對細胞結構有針對性的可視化。與熒光顯微鏡一樣，通過捕獲由于固定探針分子的多次激發過程而發射的光子進行信號放大，可以進一步提高該方法的成像能力和特異性。因此，單分子ECL為基于熒光的單分子成像方法提供了替代和補充的機會，促進了對電化學反應的基本理解，并證明對生物測定和細胞成像應用具有重要的作用。相關研究成果以“Direct imaging of single-moleculeelectrochemical reactions in solution”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“Direct imaging of single-moleculeelectrochemical reactions in solution”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03715-9)
?21.中國科學院金屬研究所盧柯、李秀艷：用Schwarz晶體結構抑制過飽和Al-Mg合金中的原子擴散
中國科學院金屬研究所盧柯院士和李秀艷研究員團隊等人帶領下，發現受限晶體（Schwarz crystal）結構在具有極細晶粒的過飽和Al-Mg合金中可以有效地抑制原子擴散。通過形成這些穩定的結構，納米級晶粒的擴散控制金屬間化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化溫度，在這個溫度附近，表觀跨界擴散率降低了約7個數量級。利用Schwarz晶體結構開發先進的工程合金可能會為高溫應用帶來有用的性能。相關成果以題為“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”發表在了Science上。
文獻鏈接：“Direct imaging of single-moleculeelectrochemical reactions in solution”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03715-9)
?22.北京大學周歡萍、北京理工大學陳棋：液體介質退火技術制備鈣鈦礦太陽能電池
北京大學周歡萍研究員和北京理工大學陳棋教授團隊等人帶領下，報告了一種液體介質退火（LMA）技術，它創造了一個強大的化學環境和恒定的加熱場來調節整個薄膜的晶體生長。該方法生產的薄膜具有高結晶度、較少的缺陷、理想的化學計量和整體薄膜的均勻性。由此產生的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）產生了24.04%的穩定功率輸出（認證為23.7%，0.08 cm2），并運行2000小時后保持95%的初始功率轉換效率（PCE）。此外，1 cm2的PSCs表現出23.15%的穩定功率輸出（認證的PCE為22.3%），并在運行1120小時后保持其初始PCE的90%，這說明了其可擴展制造的可行性。LMA耐候性較強，生產的器件全年的性能變化可以忽略不計。因此，該方法以可擴展和可重復的方式為提高鈣鈦礦薄膜和光伏器件的質量開辟了一條新的有效途徑。相關成果以題為“Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility”發表在了Science上。
文獻鏈接：Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility（Science，2021，DOI:10.1126/science.abh3884）
?23.暨南大學陸偉剛和李丹：新型MOF實現動態分子篩選
暨南大學的陸偉剛和李丹（共同通訊作者）等人報道了一種具有一維通道特征的MOF材料（JNU-3a），這類一維通道帶有嵌入的動態分子口袋，可在不同壓力條件下分離丙烯和丙烷。當JNU-3a暴露在丙烷或者丙烯氣氛中時，其會發生單晶-單晶轉變，揭示了分子口袋具有動態的本質。實驗表明，JNU-3a在等摩爾丙烯/丙烷混合物單吸附-解吸附循環中可實現高純度的丙烯分離（大于等于99.5%），丙烯的最大產量可達到53.5升每千克。作者認為，這一研究工作呈現了新型分子篩材料的設計，在吸附分離領域具有巨大的應用前景。2021年07月21日，相關成果以題為“Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures”的文章在線發表在Nature上。
文獻鏈接：Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures（Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03627-8）
?24.南京工業大學王軍、浙江大學邢華斌和新加坡國立大學顏寧：用于二氧化碳篩分的自組裝含鐵絲光沸石整料
南京工業大學王軍，浙江大學邢華斌及新加坡國立大學顏寧共同通訊在Science在線發表題為“Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving” 的研究論文，該研究報告了一種簡便、無模板的水熱方法，用于自組裝雜原子沸石整料 Fe-MOR(n)（其中 n 是初始 Fe/Si 摩爾比），其固有的高機械強度可以可直接用作成型物理吸附劑。在 CO2?捕獲中，Fe-MOR(n) 系列根據分子大小篩選 CO2、Ar、N2?和 CH4，并表現出前所未有的 CO2?吸收和 CO2/Ar(N2, CH4) 選擇性和快速吸附動力學。總之，具有超高機械強度的 Fe-MOR 沸石整料采用無粘合劑和無模板的水熱路線自組裝，具有成本效益、節能和環境友好的特點。一些孤立的四面體 Fe 元素位于一維微孔通道內，導致精確變窄的微通道的沸石孔隙系統。骨架鐵元素和這種孔隙特征的結合賦予了高 CO2?吸附能力、有效的基于尺寸的分子篩選能力和優異的水分穩定分離性能。這種材料在分離CO2/N2(CH4)時能耗低，產品回收率和純度高。所有這些特性使 Fe-MOR 整料成為一種很有前途的自成型吸附劑。這項工作展示了一種用于 CO2?捕獲的高性能自成型吸附劑，并突出了雜原子沸石材料在氣體吸附和分離中的實際應用潛力。
文獻鏈接：Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving（Science, 2021, DOI:10.1126/science.aax5776）
?25.北京大學葉堉：“播種”二維晶體
在硅電子技術中實現對二維范德華半導體的集成通常要求生產大規模、均一以及高度晶化的薄膜。然而，二維材料的原子級厚度使得其合成很大程度上依賴于基底的表面性質，因此目前大多數制備塊體單晶的方法都無法用來制造大尺寸二維半導體單晶。針對這一問題，北京大學的葉堉等人通過固固相轉變和重結晶過程，開發了一種二維單晶的無縫外延生長法，可在非晶絕緣基底上成功制備晶圓級范德華2H二碲化鉬半導體。在這一制備過程中，研究人員首先在非晶絕緣晶片中心精心植入單核，并由此觸發2H二碲化鉬半導體的橫向擴張。由此得到的單晶薄膜可完全覆蓋2.5厘米級晶片，同時還具有非常有益的均一性。不僅如此，這一制備得到的半導體薄膜還可以自身微模板，進一步進行垂直模式的快速外延。器件研究表明，基于這一2H二碲化鉬單晶制造的晶體管陣列展現出了良好的電學性能以及100%的器件產率。綜合研究成果，作者認為該工作為范德華二維半導體的工業化提供了新的思路和可能性。這一研究打破了對硼基催化劑的傳統認知，為丙烷有氧脫氫制丙烯的工業化提供了新的思路。相關成果以題為“Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2”在線發表在Science上。
文獻鏈接：Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abf5825）
?26.浙大高超&西安交大劉益倫：石墨烯氧化物基纖維的可逆融合和裂
在浙江大學高超教授和西安交通大學劉益倫教授團隊等人帶領下，提出了一種溶劑觸發的形貌調控策略來實現可逆的融合和裂變。選擇GO（GO）纖維作為模型，因為它具有二維（2D）拓撲結構、豐富的化學分子、超柔性和自粘接能力。在膨脹后，濕法紡絲的GO纖維具有一個外殼（最外層），限制了內部GO薄片的運動，并顯示出溶劑觸發的大體積變化和彈性變形能力。在水和極性有機溶劑的刺激下，纖維殼的形貌通過膨脹和溶脹在皺褶的管狀狀態和擴展的圓柱狀狀態之間可逆地切換，從而引起瞬時的纖維界面，導致任意數量的GO纖維的循環自融合和自裂變。在每個循環中，GO纖維的數量、大小、組成、結構和性能在裂變后都得到了恢復，顯示了融合和裂變的精確可逆性。相關成果以題為“Reversible fusion and fission of graphene?oxide–based fibers”發表在了Science上。
文獻鏈接：Reversible fusion and fission of graphene oxide–based fibers（Science，2021，DOI:10.1126/science.abb6640）
27.中科院物理所的Jirong Sun、Yi Zhou和浙江大學謝燕武：控制界面超導性
利用電場控制超導性不論是對于基礎研究還是未來應用都是極具吸引力的。而與半導體場效應管類似，超導體的二維載流子密度n2D能夠通過外源的柵電壓（gating voltage?VG）來進行調控。然而，對于大多數超導體來說，n2D值都非常高且遠超過典型電選通的容量（~1014?cm?2或更低），使得控制超導性成為了巨大的挑戰。中科院物理所的Jirong Sun、Yi Zhou和浙江大學謝燕武（共同通訊作者）團隊利用LaAlO3和 KTaO3(111)（LAO/KTO(111)）之間的氧化物界面可展現出超導態這一現象，通過施加穿過KTaO3的VG，來實現從超導到絕緣態的連續調控，同時還產生了圓頂型Tc-VG相關性（為轉變溫度）。研究顯示，電選通對載流子密度作用較小，但對遷移具有比較大的影響。研究認為這一對遷移行為調控主要是由于載流子在界面的空間狀態發生變化，即產生“有效的無序性”。這一工作表明LaAlO3/ KTaO3(111)可作為理想平臺，以探索無序二維超導體中的豐富物理現象。2021年05月14日，相關成果以題為“Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abb3848）
?28.南京航空航天大學顧冬冬：材料-結構-性能一體化的激光金屬增材制造
在南京航空航天大學顧冬冬教授團隊等人帶領下，提出了材料-結構-性能一體化增材制造（MSPI-AM）的整體概念，將MSPI-AM定義為通過集成多材料布局和創新結構，一步制造一體式金屬組件的過程，目的是主動實現設計的高性能和多功能。在需要實現的性能或功能的驅動下，MSPI-AM方法能夠并行設計多種材料、新結構和相應的印刷工藝，并強調它們的相互兼容性，為激光-金屬AM的現有挑戰提供了一個系統的解決方案。MSPI-AM由兩個方法論概念定義：“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨特的功能打印獨特的結構”。在單個打印部件中對微觀和宏觀結構進行工程設計的方法越來越有創意，這導致了使用AM來生產多材料的更復雜的結構。現在，設計和打印具有空間變化的微結構和性能的多材料組件（如納米復合材料、原位復合材料和梯度材料）是可行的，進一步使功能結構與電子集成在激光打印單體組件體積內成為可能。這些復雜結構（如整體式拓撲優化結構、仿生結構、多尺度分層晶格或細胞結構）在力學性能和物理/化學功能方面都取得了突破。高性能和多功能的主動實現需要跨尺度的協調機制（即從納米/微尺度到宏觀尺度）。相關成果以題為“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”發表在了Science。
文獻鏈接：Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing（Science，2021，DOI:10.1126/science.abg1487）
?29.武漢理工大學黃福志：用于高效光伏模塊的無甲胺鈣鈦礦的鹵化鉛模板結晶
在過去的十年中，雜化有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池?(PSC)?引起了人們廣泛的關注，其功率轉換效率?(PCE)?現在已超過25%。而制造大面積 PSC 的最重要先決條件是高質量鈣鈦礦薄膜的沉積。溶液中鈣鈦礦的成核和晶體生長在很大程度上是無法控制的，通常會導致多孔薄膜，這會極大地損害器件的性能。因此，升級獲得高效且穩定的鈣鈦礦層是鈣鈦礦太陽能電池商業化中最具挑戰性的問題之一。?武漢理工大學黃福志研究員帶領的團隊提供了“薄膜問題”的一項解決方案，開發了一種以鹵化鉛為模板的結晶策略，印刷制造獲得了無抗溶劑和環境空氣高穩定的高質量大面積?(20 cm2×20 cm2)?甲脒（FA）-銫（Cs）三碘化鉛鈣鈦礦薄膜。鈣鈦礦薄膜經六氟磷酸鉀 (KPF6) 鈍化，實現了高效無滯后的PSC，PCE效率為 23.35%，并顯著提高了熱穩定性和光穩定性 (85°C下500小時后效率保持率約為80%)。該工作揭示了溶液法鈣鈦礦薄膜的結晶動力學過程和調控機制，開發的槽模印刷技術為鈣鈦礦產業化制備提供了一種新的策略。相關成果以”Lead halide–templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules“為題于6月18日發表在Science上。
文獻鏈接：Lead halide–templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules（Science，2021，DOI:10.1126/science.abh1035）
?30.浙江大學唐睿康：壓力驅動無定形顆粒融合為塊體材料
浙江大學化學系劉昭明研究員和唐睿康教授團隊 在全球頂級科研期刊《Science》雜志發表了題為“Pressure-driven fusion of amorphous particles intointegrated monoliths （《壓力驅動無定形顆粒融合為塊體材料》”的文章，研究團隊受大自然的啟發， 制造出一顆仿生的碳酸鈣“牙齒”。他們通過調控結構水含量與外部壓力，將數百納米尺度的無定形碳酸鈣顆粒成功融合為毫米尺度的具有連續結構的宏觀塊體材料，塊體透明，機械性能與單晶方解石相近。
文獻鏈接：Pressure-driven fusion of amorphous particles intointegrated monoliths（Science，2021，DOI:10.1126/science.abg1915）
31.香港大學校長張翔：原子級晶體管
在自然界中，細胞通過特殊的通道來快速門控離子流，是許多生物學過程的關鍵所在。基于原子級過濾器，這些生物離子通道能夠快速、選擇性地門控離子，從而維持重要的生命功能。盡管已有研究報道在納觀通道中實現了離子輸運，但在原子級通道中完成門控快速、高選擇的離子擴散依然極具挑戰。針對這一挑戰，香港大學校長張翔（通訊作者）團隊報道了一種能夠展現出超快、選擇性離子輸運行為的原子級離子晶體管。研究人員從還原石墨烯氧化物單片中制備了高度僅有3埃的石墨烯通道，并在該通道中實現電場門控技術來實現并控制超快、高選擇性的離子輸運。進一步檢測表明，該通道的離子擴散系數比在水中的擴散系數高兩個數量級。不僅如此，由于水合離子插入在該通道中存在臨界能壘，因此該離子通道還展現出了閾值行為。原位光學測量則顯示，該通道的超快離子輸運很有可能來源于離子的高度密堆積以及其在通道中的協調運動能力。這一研究不僅為生物系統中的快速離子篩選提供了新的理解，也為高度可控、超快離子輸運在離子電池、海水脫鹽、醫學透析等方面的應用提供了嶄新的策略和思路。2021年04月30日，相關成果以題為“Atomic-scale ion transistor with ultrahigh diffusivity”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：Atomic-scale ion transistor with ultrahigh diffusivity（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abb5144）
?32.浙江大學肖豐收領銜：孤立的硼助力丙烷脫氫反應
中科院武漢物理與數學研究所的鄭安民和浙江大學的孟祥舉、王亮以及肖豐收（共同通訊作者）等人聯合研發了新型催化劑，在丙烷有氧脫氫中展示出了高活性和高選擇性的特點。研究人員發現，在硼硅酸鹽沸石分子篩中硼周圍的硅氧物種會與之配位，形成孤立的硼。這種硼中心具有硼雙羥基結構，并與鄰近的雙硅羥基形成–B[OH…O(H)–Si]2配位。在丙烷脫氫反應中，硼雙羥基與其中一個硅羥基協同活化丙烷和氧氣，從而形成穩定的中間體并在隨后轉化為丙烯，這一反應能壘優于單硼羥基結構，因此該催化劑的催化性能顯著提升。此外，Si-O-B鍵在反應過程中會發生可逆水解-縮合，能夠有效抑制分子篩的脫硼形成硼酸，提高了催化劑的穩定性。這一研究打破了對硼基催化劑的傳統認知，為丙烷有氧脫氫制丙烯的工業化提供了新的思路。2021年04月02日，相關成果以題為“Isolated boron in zeolite for oxidative dehydrogenation of propane”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：Isolated boron in zeolite for oxidative dehydrogenation of propane（Science, 2021, DOI: 10.1126/science. abe7935）
?33.南京工業大學黃維、陳永華：在室溫高濕條件下穩定黑相甲脒鈣鈦礦的形成
在南京工業大學、西北工業大學、南京郵電大學黃維院士和南京工業大學陳永華教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，報道了一種穩定的黑相α-FAPbI3的合成，在其制備過程中對環境條件不敏感。以離子液體甲酸甲胺（MAFa）為原料，制備了垂直取向的碘化鉛（PbI2）薄膜。與常用溶劑N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）不同，MAFa溶劑通過C=O···Pb螯合和N-H···I氫鍵與PbI2的強相互作用，促進了PbI2相對于底物的垂直生長。甲脒碘（FAI）可以通過原位形成離子通道進入PbI2薄膜，顯著降低了薄膜的形成能壘。無論RH（20 ~ 90%）和溫度（25°~ 100°C）， α-FAPbI3都能快速轉變為穩定的黑相α-FAPbI3。團隊在環境空氣中實現了大于24%的PCE，在充氮手套箱5000小時可以保持93%的初始效率，熱穩定性達500小時（在85°C保持80%的初始效率），穩定連續光脅迫下（在最大功率點運行500小時后，仍保持了90％的初始效率）。相關成果以題為“Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity”發表在了Science上。
文獻鏈接：Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity（Science，2021，DOI:10.1126/science.abf7652）
?34.中科大汪義豐：分布裁剪碳-氟鍵
加州大學洛杉磯分校的的Kendall N. Houk和中科大的汪義豐（共同通訊作者）等人受到生物合成DNA過程的啟發，發現通過自旋中心轉移機制可以用于三氟乙酸衍生物的碳-氟鍵斷裂。基于此，研究人員將含三氟甲基的三氟乙酰胺或者三氟乙酸酯等和路易斯堿-硼烷化合物等混合形成反應體系。通過加熱，反應體系產生路易斯堿-硼自由基，隨后與三氟甲基分子作用并發生自旋中心轉移，從而在消除氟離子的同時生成二氟甲基自由基。同理，進一步發生自旋中心轉移反應可獲得單氟甲基自由基。這些自由基可進一步反應，最終生成雙氟或者單氟有機物。該工作認為，研究從成本低廉的三氟乙酸衍生物出發，高效可控合成了雙氟/單氟化合物，發展了一種制備含氟有機化合物的新途徑。2021年03月19日，相關成果以題為“Sequential C–F bond functionalizations of trifluoroacetamides and acetates via spin-center shifts”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：Sequential C–F bond functionalizations of trifluoroacetamides and acetates via spin-center shifts（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abg0781）
?35.清華大學的南策文、沈洋：“攪動”鐵電聚合物
清華大學的南策文和沈洋（共同通訊作者）等人在P(VDF-TrFE)鐵電聚合物中發現了自組織的環形拓撲紋理，其展現出了具有反耦合手性疇（anticoupled chiral domains）的同心圓拓撲結構。研究發現，彈性能、電能和梯度能的相互作用導致了與聚合物鏈正交的極化的旋轉和環形組裝，同時還能誘導沿著聚合物鏈的弛豫行為。這一環形極化拓撲引起了極化遠紅外波的周期性吸收，可實現在介觀尺度上對太赫茲波進行操縱。研究認為，這一發現不僅能夠為柔性鐵性體材料的設計提供指導，還能為發展具有多刺激轉變性質的柔性電子器件提供新的機會。2021年03月05日，相關成果以題為“Toroidal polar topology in strained ferroelectric polymer”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：Toroidal polar topology in strained ferroelectric polymer（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abc4727）
36.中科大王興安、中科院大連化物所楊學明、孫志剛：揭示電子角動量對反應動力學的影響
中科大的王興安和中科院大連化物所的楊學明、孫志剛（共同通訊作者）等人合作研究了具有分波共振的F+HD反應的動力學過程，并首次發現電子角動量對化學反應微分截面的影響。利用高分辨成像技術，研究人員在F+HD→HF+D反應中分波共振附近的微分截面中觀察到了特殊的馬蹄鐵形圖案。進一步地理論分析發現，這一特殊圖案源自于F原子的電子角動量效應能夠將單一的分波共振可以變成具有四重精細結構的分波共振，從而改變化學反應產物的角度分布。這一發現為“自旋-軌道相互作用影響反應動力學”提供了一個典型的案例。2021年02月26日，相關成果以題為“Quantum interference between spin-orbit?split partial waves in the F+HD→HF+D reaction”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：Quantum interference between spin-orbit split partial waves in the F+HD→HF+D reaction（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abf4205）
?37.南方科技大學何佳清：“扭曲”的熱性能
南方科技大學的何佳清（通訊作者）團隊整合利用了熵工程設計，合成了具有優異熱電性能的單相高熵合金。通過熵驅動結構穩定化，研究形成了n型硒化鉛基高熵材料，并在該材料中將900K時的熱電優值（zT值）強化到了1.8。進一步表征分析發現，這一高熵系統中的高度無序晶格造成了異常的剪切應變，對較低晶格熱導率提供了強大的聲子散射。隨著合金元素的增加，無序狀態卻能穩定材料、避免其向多相化轉變。因此，無序扭曲的晶格能夠在維持電學性能的同時抑制熱傳輸，為大幅提升材料的熱轉換效率提供了保證。基于這些實驗結果，研究人員制備了分段部件，其熱電轉換效率在溫度差為507K時可達到12.3%。這一工作為在高熵熱電材料中優化熱電性能提供了全新的范例。2021年02月19日，相關成果以題為“High-entropy-stabilized chalcogenides with high thermoelectric performance”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：High-entropy-stabilized chalcogenides with high thermoelectric performance（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abe1292）
?38.武漢大學定明月：合成氣催化轉化取得重大突破
武漢大學的定明月（通訊作者）團隊設計合成了一種具有優異疏水性能的FeMn@Si催化劑，能夠有效阻止二氧化碳和甲烷的形成。費托合成過程中會產生水，因此在這一新型催化劑中，研究人員設計了疏水的外殼層從而保護碳化鐵內核不受水的氧化作用，同時也能縮短水分子在催化劑表面的停留，限制了水相關的副反應出現。此外，錳到鐵原子的電子轉移能夠大幅提升烯烴產率并抑制甲烷的形成。實驗表明，催化劑能夠抑制二氧化碳和甲烷的選擇性不高于22.5%，同時在一氧化碳轉化率為56.1%的水平上還能提高烯烴產率至36.6%。這一研究為新型催化劑的設計提供了嶄新的策略和思路。2021年02月05日，相關成果以題為“A hydrophobic FeMn@Si catalyst increases olefins from syngas by suppressing C1 by-products”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：A hydrophobic FeMn@Si catalyst increases olefins from syngas by suppressing C1 by-products（Science, 2021, DOI: 10.1126/science. abb3649）
?39.浙江大學王勇、中科院上海高研院高嶷：具有原子級精度的催化活性界面操縱
浙江大學的王勇、中科院上海高研院的高嶷以及丹麥技術大學的Jakob B. Wagner、Thomas W. Hansen（共同通訊作者）合作利用球差校正（aberration-corrected）環境透射顯微學的方法研究了低電子束劑量下金納米顆粒和二氧化鈦載體之間的界面狀況。直接的原子尺度觀測顯示，在一氧化碳氧化過程中（總壓力為幾個毫巴，溫度為500攝氏度），金納米顆粒會旋轉10度左右，并在一氧化碳被移除時又恢復到初始位置，同時也發現金納米顆粒外延旋轉和金-二氧化鈦界面原子結構之間具有相關關系。DFT計算表明，金屬納米顆粒的旋轉是由界面處吸附分子氧的覆蓋變化所引起的。進一步地，利用可逆可控旋轉，研究還通過改變氣氛和溫度實現了對活性金-二氧化鈦界面的原位操縱。這些成果均表明在運行條件下實時設計催化界面是可行的。2021年01月29日，相關成果以題為“In situ manipulation of the active Au-TiO2?interface with atomic precision during CO oxidation”的文章在線發表在Science上。
文獻鏈接：In situ manipulation of the active Au-TiO2?interface with atomic precision during CO oxidation（Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abe3558）
?40.中山大學李俊韜：聚合物鈍化PSCs實現填充因子（FF）最高達到845
中山大學李俊韜教授、澳大利亞國立大學Kylie R. Catchpole和Kylie R. Catchpole（共同通訊作者）等人報道了一種PSC結構，其中作者利用稀疏的納米級TiO2納米棒陣列取代了常用的介孔TiO2（meso-TiO2）電子傳輸層（ETL）。通過超薄的聚合物鈍化層可以有效的鈍化產生納米級圖案化ETL-鈣鈦礦界面，以獲得高Voc，同時保持優異的電荷收集和界面傳輸性能，從而實現低串聯電阻和高FF。在大面積（1 cm2）電池上，其功率轉換效率（PCE）達到了21.6%，填充因子（FF）更是達到了0.839。在Voc=1.240 V，FF=0.845的條件下，一個小面積（~0.165 cm2）電池的PCE竟然達到了~23.17%。作者使用三維（3D）數值模擬研究和解釋了納米結構界面的性能，精確地復制了FF增強和觀察到的納米級圖形幾何實驗趨勢。模擬結果表明，TiO2納米棒未完全涂覆聚甲基丙烯酸甲酯：PCBM（苯基-C61-丁酸甲酯）鈍化材料，使局部低電阻接觸的暴露區域直接類似于高效硅太陽能電池中的局部接觸結構。通過模擬和實驗之間的詳細比較，為暴露的納米棒面積分數和暴露的ETL-鈣鈦礦界面上復合活性缺陷的密度設定了合理的界限。此外，作者還介紹了一種無離子摻雜的混合空穴傳輸層（HTL），該層提供了與摻雜替代物類似的電池性能。在85℃和85%相對濕度的條件下，在暴露1000 h后，包含新ETL和HTL組合的封裝電池仍然保留了>90%的初始效率。研究成果以題目為“Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells”發表在國際頂級期刊Science上。
文獻鏈接：Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells (Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abb8687)
?41.復旦大學王飛、馬里蘭大學王春生：可充鋅空氣電池新體系
德國明斯特大學Martin Winter教授，復旦大學王飛研究員，馬里蘭大學王春生教授和美國陸軍實驗室許康研究員（共同通訊作者）提出了一種Zn-O2/(ZnO2)化學反應，它在非堿性水系電解質中通過2e-/O2過程進行，這使得鋅空氣電池中的氧化還原反應具有高度可逆性。這種ZnO2是由疏水三氟甲基磺酸鹽陰離子引起的空氣陰極上富水和鋅離子(Zn2+)的內亥姆霍茲過渡區形成的。這樣構造的非堿性鋅-空氣電池不僅可以耐受環境空氣中的穩定運行，而且還比堿性電池具有更好的可逆性。本文研究結果表明，只要正確選擇了非堿性電解質，電池就可以使用可逆性更好的雙電子鋅氧/過氧化鋅化學物質工作。通過使電解質疏水，可以將水從陰極的近表面排除，從而防止四電子還原。這些電池還顯示出更高的能量密度和更好的循環穩定性。相關研究成果以“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”為題發表在Science上。
文獻鏈接：“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”(Science，2020，10.1126 / science.abb9554)
?42.吉林大學劉堃：長程有序結構增強超分子手性表面等離子組裝體的光學不對稱性
吉林大學劉堃研究團隊與美國密歇根大學Nicholas A. Kotov研究團隊、巴西圣卡洛斯聯邦大學André de Moura研究團隊的聯合研究中，利用超分子相互作用，實現了金納米棒與人胰島淀粉樣多肽的精準共組裝，構建了具有類似于手性液晶的長程有序的納米螺旋纖維結構，其g-factor可高達0.12；同時提出了更加普適性的預測和解釋手性納米結構與g-factor之間構效關系的新理論；液晶般的顏色變化和納米棒加速的纖化過程使其可在復雜的生物介質中進行藥物篩選。研究成果以“Enhancement of Optical Asymmetry in Supramolecular Chiroplasmonic Assemblies with Long-Range Order”為題發表在國際頂級期刊Science上。
文獻鏈接：Enhancement of Optical Asymmetry in Supramolecular Chiroplasmonic Assemblies with Long-Range Order(Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abd8576)
?43中國科學技術大學侯建國、王兵和譚世倞：在單化學鍵精度上確定表面分子體系的結構與化學特異性
中國科學技術大學單分子科學團隊侯建國、王兵和譚世倞等采用融合STM，AFM，TERS等掃描探針技術的策略，發展了STM-AFM-TERS聯用技術，突破了單一顯微成像技術的探測局限。利用這一高分辨的綜合表征技術，以并五苯分子及其衍生物作為模型體系，結合電、力、光等不同相互作用，實現了對電子態、化學鍵結構和振動態、化學反應等多維度內稟參量的精密測量。實驗結果揭示了Ag(110)表面吸附的并五苯分子轉化為不同衍生物的機理，其中納腔等離激元激發是導致特定吸附構型下C—H鍵選擇性斷裂的原因。在技術上，通過集成高靈敏度的單光子計數器，把拉曼光譜的實空間成像速度提高了2個數量級，成功地實現了并五苯分子化學反應前后的動態跟蹤與測量。結合理論計算，揭示了分子化學反應過程的機理，驗證了實驗觀測結果。研究成果以“Determining structural and chemical heterogeneities of surface species at the single-bond limit”為題，于2021年2月19日發表在Science上。
文獻鏈接：Determining structural and chemical heterogeneities of surface species at the single-bond limit(Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abd1827)
?44.江蘇大學丁建寧、哈爾濱工業大學冷勁松：單極沖程、電滲泵碳納米管紗線肌肉
江蘇大學丁建寧、哈爾濱工業大學冷勁松與美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman（共同通訊）合作，首次發現通過聚電解質功能化的策略，可實現人工肌肉智能材料的“雙極”（Bipolar）驅動轉變為“單極”（Unipolar）驅動，同時發現了人工肌肉隨電容降低，驅動性能增強的反常現象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES），這一重要突破解決了人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題，為后續設計具有無毒、低驅動電壓的高性能驅動器提供新的理論基礎。研究成果以Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles為題發表于Science上。
文獻鏈接：Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles(Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abc4538)
?45.中國科學院上海有機化學研究所游書力：銥催化Z式保留不對稱烯丙基取代反應
手性分子的“精準”合成對于生命科學、材料科學和藥物化學等領域都具有十分重要的意義。發展新型高效、高選擇性的不對稱催化反應是推動手性分子精準合成的重要手段。中國科學院上海有機化學研究所游書力團隊利用π-烯丙基銥物種反應特點，從易得的Z-式烯丙基酯原料出發，實現了含有Z-式烯烴手性化合物的精準合成。該研究揭示了全新的不對稱烯丙基取代反應模式，為含有Z-式烯烴結構單元的手性分子提供了一個通用的合成策略，有望應用于藥物化學、天然產物合成等領域。相關研究成果以Iridium-catalyzed Z-retentive asymmetric allylic substitution reactions為題，于2021年1月22日在Science上在線發表。
文獻鏈接：Iridium-catalyzed Z-retentive asymmetric allylic substitution reactions(Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abd6095)
?46.清華大學陳曉、魏飛：單分子成像技術探測范德華相互作用
利用分子指針來探測主客體相互作用是一種研究復雜環境中相互作用的重要方法，但是想要實現超高分辨率下的單分子構象精準表征依然是一個巨大的挑戰。近日，清華大學的陳曉和魏飛等人利用積分差分相位襯度掃描透射電子顯微技術（iDPC-STEM）實現了對單個對二甲苯（PX）分子在二維ZSM-5分子篩內的直接成像。PX分子在這一研究中發揮了分子指針的作用，可探測每一個孔道內的范德華相互作用，并通過對分子取向的成像和二維分子篩的原子級解析，揭示了小分子是如何被限域在亞納米尺寸的孔道中。這項工作提供了一種可在分子水平上研究多孔材料的直觀手段，同時也推動了電子顯微鏡學在單分子成像上的進一步應用。相關研究成果以“A single-molecule van der Waals compass”為題在線發表在Nature上。
文獻鏈接：A single-molecule van der Waals compass(Nature, 2021, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03429-y)
?47.吉林大學于吉紅、徐吉靜：一種高度穩定的柔性沸石電解質固態鋰空氣電池
到目前為止，為SSLABs設計一種同時實現高環境適應性和出色電化學性能的固態電解質仍然是一個挑戰。在吉林大學于吉紅院士和徐吉靜教授（共同通訊作者）團隊帶領下，提出了一種集成的固態鋰空氣電池，它包含一個超薄的、高離子導電的鋰離子交換沸石X膜（LiXZM）作為無機固態電解質。采用原位組裝策略，該電解質與鑄鋰作為負極，碳納米管（CNTs）作為正極集成在一起。由于沸石固有的化學穩定性，有效地抑制了電解質因鋰或空氣的作用而變質。該電池碳納米管的容量為12020 mAh/g，在電流密度為500 mA/g和容量為1000 mAh/g的情況下，循環壽命為149次。在相同條件下，這種循環壽命比磷酸鋁鍺鋰（12次）和有機電解質（102次）的電池更長。沸石基鋰空氣電池的電化學性能、柔性和穩定性賦予其實際應用性，可以擴展到其他儲能系統，如鋰離子電池、鈉空氣電池和鈉離子電池。相關成果以題為“A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery”發表在了Nature上。
文獻鏈接：A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery(Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03377-7)
?48.西安交通大學馬恩、中科院力學研究所武曉雷和清華大學朱靜：中熵合金中化學短程有序的直接觀察
西安交通大學馬恩教授、中科院力學研究所武曉雷研究員和清華大學朱靜院士（通訊作者）等人報道了他們通過設計系統且細致的實驗，以避免需要數據擬合和多種可能的解釋。通過使用適當的區軸、微/納米束衍射、原子分辨率成像和透射電子顯微鏡（TEM）的化學繪圖，明確地揭示了面心立方（fcc）VCoNi濃溶液中的CSRO。其中，TEM觀察顯示VCoNi MEA中的雙相微結構，主要相是fcc溶液，體積分數約為80%。少數相僅占樣品體積的20%左右，具有長程化學有序的L12結構，以塊狀存在于fcc晶粒內，含有高密度的斷層。完全再結晶的fcc溶液由等軸和無位錯晶粒組成，平均尺寸為1.2 μm。根據原子探針層析成像證明，其成分為V36Co33Ni31，由于共存的L12含有更多的Co和Ni，因此相對于整個VCoNi成分略有移動。這些互補表征提供了有關CSRO的程度/范圍、原子堆積結構以及化學物種優先占據相鄰晶格平面/位置的具體信息。對最近原子殼層上CSRO序參數和對關聯的模擬表明，CSRO偏向于相鄰最近的不同（V-Co和V-Ni）對，并且避免了V-V對。總之，該發現不僅提供了一種鑒別濃溶液合金中CSRO的方法，而且也使用原子應變圖來證明CSROs增強的位錯相互作用，闡明了這些CSROs對塑性機制和變形后力學性能的影響。研究成果以題目為“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”發表在國際頂級期刊Nature上。
文獻鏈接：Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy. Nature,2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03428-z
?49.浙江大學鄭毅、許祝安聯合中南大學夏慶林：揭秘黑砷中自旋軌道耦合與斯塔克效應的協同作用
當自旋軌道耦合（SOC）與庫侖相互作用、拓撲結構和外部調制力動態相互作用時，非中心對稱二維電子系統中可能會出現令人興奮的現象。當耦合通過量子約束的原子精度控制和電場的外部調制、電荷摻雜和/或范德韋爾斯(vdW)異質結構進行調諧時，vdW晶體的出現為探索二維極限中的SOC物理提供了前所未有的機會。浙江大學鄭毅研究員，許祝安教授聯合中南大學夏慶林副教授（共同通訊作者）報道了中心對稱的幾層黑砷中SOC和斯塔克（Stark）效應之間的協同效應，表現為粒子-孔不對稱的拉什巴（Rashba）效應和由靜電門控可逆控制的量子霍爾態。這些不尋常的缺陷源于黑砷的彎曲正方形晶格，其中4p軌道形成一個具有Pz對稱的以布里淵區為中心的Γ谷，在X點的時間恢復不變動量附近與Px起源的D谷共存。當垂直電場破壞了結構反轉對稱時，Px帶激活強拉什巴SOC，產生自旋谷有利的D±谷，而Γ谷的拉什巴分裂受到Pz對稱的限制。有趣的是，巨大的斯塔克效應表現出相同的Px軌道選擇性。這種協調能夠實現對二維空穴氣體的可調的拉什巴谷，特征在于量子霍爾態依賴的朗道能級的形成，量子霍爾態中非常規的躍遷奇偶性問題。相關研究成果以“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03449-8)
?50.湖南大學段曦東：通過卷起合成高階超晶格
原子薄的2D層狀材料的出現，為探索單原子層或幾個原子層前所未有的性能或獨特功能的功能器件開辟了新的途徑。美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授和湖南大學段曦東教授（共同通訊作者）團隊報告了一種通過卷起vdW異質結構來實現高階vdW超晶格的直接方法。研究表明，可以利用毛細管力驅動的卷起過程將合成的SnS2/WSe2?vdW異質結構從生長基底上分層，并產生具有交替WSe2和SnS2單層的SnS2/WSe2卷成，從而形成高階SnS2/WSe2?vdW超晶格。這些超晶格的形成可以調控電子帶結構和維度，從而實現傳輸特性從半導體到金屬、從2D到1D的轉變，并具有角度相關的線性磁阻。這一策略可以擴展到創建不同的2D/2D vdW超晶格、更復雜的2D/2D/2D vdW超晶格以及其他2D材料，包括3D薄膜材料和1D納米線，生成混合維度的vdW超晶格，如3D/2D、3D/2D/2D、1D/2D和1D/3D/2D vdW超晶格。該研究展示了一種生成高階vdW超晶格的通用方法，其具有廣泛的材料組成、尺寸、手性和拓撲結構，為基礎研究和技術應用定義了豐富的材料平臺。相關成果以題為“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”發表在了Nature。
文獻鏈接：High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-019-1904-x）
?51.復旦大學彭慧勝、陳培寧：大面積顯示織物及其功能集成系統
復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊研制了一種6 m長，25 cm寬的大面積柔性顯示織物，其中包含約5×105個電致發光單元，它們之間的間隔約為800 um。編織導電緯線和發光經線纖維在經緯交織點形成微米級電致發光單元。有效克服了發光活性材料在高曲率纖維表面均勻連續負載的難題，揭示了交織點曲面界面形成均勻電場的獨特機制。電致發光單元之間的亮度偏差小于8%，即使在織物彎曲、拉伸或擠壓時仍舊保持穩定。該顯示織物柔軟透氣，可經受反復的機器洗滌，可有效滿足實際應用要求。進一步將織物顯示、鍵盤和電源等模塊有效集成，構建得到柔性織物顯示系統，可以作為一種新型、便捷的通信工具，在物聯網、人機交互、智能通訊等新興領域顯示了巨大的應用潛力。該方法可將電子器件制備和織物結構與編織方法有效結合，有望推動柔性電子領域的交叉融合發展。相關論文以題為Large-area display textiles integrated with functional systems發表在Nature上。
文獻鏈接：“Large-area display textiles integrated with functional systems”(Nature，2021，DOI: 10.1038/s41586-021-03295-8)
?52.南京工業大學邵宗平、周嵬：完美兼容！熱膨脹補償策略助力耐用，高性能燃料電池
固體氧化物燃料電池（SOFC）作為能量轉換裝置的商業發展面臨的一個挑戰是熱機械不穩定性。南京工業大學邵宗平教授，周嵬教授團隊（通訊作者）通過引入熱膨脹補償策略，以此實現陰極與其他電池構件之間熱機械兼容。作者使用反應燒結將具有高電化學活性和大熱膨脹系數的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料結合在一起，從而形成具有與電解質良好匹配的熱膨脹性能的復合電極。在煅燒過程中，由于復合材料中兩種材料之間的反應有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷，從而該復合材料顯示出高活性和優異的穩定性。究其原因，作者認為降低的TEC，優化鈣鈦礦相以及熱機械穩定性的協同作用，共同實現了SOFC復合陰極優異的電化學性能。相關研究成果以“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03264-1)
?53.北京科技大學呂昭平、蔣雖合：一種具有高強度和延展性的大規模制備超細晶結構的簡便策略
英國謝菲爾德大學W. Mark Rainforth教授，北京科技大學呂昭平教授和蔣雖合，以及美國國家標準與技術研究院Huairuo Zhang（通訊作者）報道了通過少量的銅合金化和通過晶粒內納米沉淀（在30秒內）對相干無序富銅的重結晶過程，在典型的Fe-22Mn-0.6C孿生誘發塑性（TWIP）鋼中實現UFG結構的大量生產。快速而豐富的納米沉淀不僅阻止了新的重結晶亞微米晶粒的生長，而且通過Zener釘扎機制增強了所獲得的UFG結構的熱穩定性。此外，由于其充分的連貫性和無序的性質，沉淀物在載荷作用下與位錯的相互作用較弱。這種方法可以制備晶粒尺寸為800±400納米的完全重結晶的UFG結構，而不會引入有害的晶格缺陷，如脆性顆粒和偏析的邊界。與不添加銅的鋼相比，UFG結構的屈服強度增加了一倍，達到約710兆帕，均勻延展性為45％，拉伸強度約為2000兆帕。這種細化晶粒的策略促進了UFG結構的發展，結構不僅高度穩定，而且還與金屬材料的典型變形機制兼容，從而利用了細晶粒的存在，大大提高了UFG合金的整體機械性能。這種晶粒細化的概念應該可以擴展到其他合金系統，并且制造過程可以很容易地應用于現有的工業生產線。相關研究成果以“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“Facile route to bulk ultrafine-grain steels for high strength and ductility”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03246-3)
?54.北京大學馬丁、大連理工大學石川，以及中國科學院大學物理科學學院周武：高效穩定的Pt/α-MoC催化劑用于低溫產氫
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北京大學馬丁教授，大連理工大學石川教授，以及中國科學院大學物理科學學院周武教授（共同通訊作者）提出了一種在α-MoC表面上錨定Pt原子，得到同時具有孤立Pt原子（Pt1）和亞納米金屬Pt團簇（Ptn）結構，高效和穩定的(Pt1-Ptn)/α-MoC催化劑，其可以在313K下低溫催化水煤氣變換反應（WGS）。研究表明，Pt1具有較高的本征WGS活性，比迄今報道的最佳催化劑高一個數量級，而在α-MoC上形成的Pt1和Ptn是高質量特異性活性的關鍵。原子Pt可以有效地促使吸附在Pt上的一氧化碳（CO）促使相鄰的α-MoC表面上的氧物種更替，從而防止α-MoC襯底發生深度氧化和失活。(Pt1-Ptn)/α-MoC催化劑展現出每摩爾Pt可以實現高達4300000 摩爾H2?的轉化數（TON），比Au/α-MoC催化劑高一個數量級。相關研究成果以“A stable low-temperature H2-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”為題發表在Nature上。
文獻鏈接：“A stable low-temperature H2-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”(Nature，2021，10.1038/s41586-020-03130-6)
55.華中科技大學楊榮貴、南洋理工龍祎、懷俄明大學譚剛：具有被動輻射冷卻調節的可伸縮熱致變色智能窗戶
面對日益嚴峻的能源危機、污染、全球變暖等問題，智能窗戶迅速成為研究的熱點。其中熱致變色窗因其結構簡單、被動光調制和零能量輸入特性而被認為是一種具有成本效益、刺激合理、節能的智能窗。鑒于此，南洋理工大學龍祎教授、美國懷俄明大學譚剛教授和華中科技大學楊榮貴教授合作使用溶液工藝制備了基于鎢（W）摻雜的二氧化釩（VO2）-PMMA（有機玻璃）/間隔物/低輻射堆棧的具有可調的長波紅外線發射率（εLWIR）的熱致變色智能窗，以滿足不同氣候區的動態能量需求。窗口的εLWIR調制能力可以通過簡單地調整間隔物厚度和VO2重量比和摻雜來調整。在整個建筑的能源模擬中，輻射冷卻熱致調節（RCRT）窗戶在不同氣候區顯示出比商用低輻射玻璃更高的加熱和冷卻能源節約。這種類型的技術有可能減少與供暖和制冷相關的碳排放，提高建筑物的可持續性。被動εLWIR太陽能調制有可能用于廣泛的熱調節應用，包括窗戶、墻壁、屋頂、織物和繪畫。相關研究成果以“Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation”為題發表在Science上。
文獻鏈接：“Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation”(Science，2021，10.1126/science.abg0291)
本文由溫華編輯。
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