1. 多價陰離子作為強大的電子供體實現超低功函電極及高性能光電器件的制備丨Nature
具有低功函的電極可以有效電子注入半導體器件中。但是，當功函數下降到約4電子伏特以下時，電極會在空氣中遭受氧化，從而限制了其在環境條件下的制造。近日，新加坡國立大學Rui-Qi Png、Lay-Lay Chua 證明草酸根，碳酸根和亞硫酸根等多價陰離子當以小的離子簇的形式分散在基質中時，可以充當強大的潛在電子供體，同時保持它們在環境條件下在溶液中被處理的能力。這些簇中的陰離子甚至可以通過基態摻雜機制，對具有低電子親和力的π共軛聚電解質的半導體核進行n摻雜。對這些陰離子的供體水平的理論分析表明，通過減小小離子簇的庫侖穩定性，以及通過不可逆效應，它們可以從離子晶格上移。研究人員使用聚芴核獲得了2.4電子伏特的超低有效功函數。基于以上研究，研究人員實現使用具有這些陰離子給體的聚合物電子注入層來實現高性能，溶液處理的白光二極管和有機太陽能電池。
Tang, C. et al. Multivalentanions as universal latent electron donors. Nature 2019.
DOI:10.1038/s41586-019-1575-7
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1575-7
2. PdMo雙金屬烯高效ORR/OER，質量活性可達16.37A/mgPd丨Nature
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。氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）緩慢的反應動力學一直是該領域的最大挑戰之一，經常需要昂貴的鉑基金屬電催化劑，以提高活性和耐久性。合金表面應變和優化的配位環境可提高Pt基納米晶體在酸性介質中的ORR活性；然而，在堿性條件下，Pt基金屬上氧結合強度難以達到最優化，提高在堿性環境中的ORR活性仍然具有挑戰性。近日，北京大學郭少軍等合成了一種卷曲片狀，厚度為亞納米級別的PdMo雙金屬烯，該PdMo雙金屬烯在堿性條件下可高效穩定的ORR/OER，適合用作鋅或鋰空氣電池的正極。PdMo雙金屬烯的薄層結構使得該催化劑具有高的電化學活性表面積（138.7 m2/gPd）以及高的原子利用率；在堿性溶液中，0.9V的條件下（相對于RHE），該催化劑ORR的質量活性為16.37 A/mgPd，分別是商用Pt/C和Pd/C催化劑的78倍和327倍，并且經30,000個循環后，幾乎沒有衰減。DFT計算表明，合金化效應，彎曲的幾何形狀引起的應變效應以及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。
Mingchuan Luo, et al. PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis. Nature, 2019
DOI: 10.1038/s41586-019-1603-7
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1603-7
3. 通過海森堡交換進行相干自旋態轉移丨Nature
量子信息科學通過為計算，通信和傳感等領域帶來了革新性的技術。盡管現實的量子設備中的物理量子位不可避免地會遭受錯誤，但是量子錯誤校正為容錯量子信息處理開辟了一條道路。羅徹斯特大學John M. Nichol團隊報道了通過自旋量子位陣列中的海森堡交換相互作用傳輸電子自旋態的研究。海森堡交換耦合傾向于交換相鄰電子的自旋態。通過精確控制半導體四重量子點陣列中電子之間的波函數重疊，生成了一系列相干的SWAP操作，以在陣列中來回傳輸單自旋和糾纏態而無需移動任何電子。由于該過程可擴展到大量量子位，因此通過海森堡交換進行的狀態轉移對于基于自旋的量子計算機中的多量子位門和糾錯將很有效。
Coherent spin-statetransfer via Heisenberg exchange，Nature，573, 553–557(2019)
DOI：10.1038/s41586-019-1566-8
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1566-8
4. 石墨烯和二維硅材料丨Nature
從1960年代末至1970年代初的微處理器，到自動化，計算機和智能手機。硅半導體技術的發展通過將設備和電線的物理尺寸縮小到納米范圍，從而在電子領域取得了重大突破。現在，石墨烯和相關的二維（2D）材料在原子極限上為器件性能提供了巨大前景。并且，2D材料與硅芯片的協同組合有望提供一個異構平臺。集成是通過多功能高層2D硅芯片的三維單片構造來實現的，通過利用垂直平臺的功能以及硅平臺在光電和傳感領域的功能多樣化，可以增強其性能。德州大學奧斯丁分校Deji Akinwande團隊回顧了將原子薄材料與基于硅的納米系統集成的機遇、進展和挑戰，并考慮了計算和非計算應用的前景。
Graphene and two-dimensional materials forsilicon technology，Nature， 573, 507–518 (2019)
DOI：10.1038/s41586-019-1573-9
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1573-9
5. 酶協同作用中的低勢壘氫鍵丨Nature
以血紅蛋白和天冬氨酸轉氨酶為例，許多蛋白質的協同作用和變構調節的潛在分子機制已經被研究的比較透徹了。但是蛋白質中效應器的結合通常導致其結構發生，這種轉變能夠廣泛傳遞到遙遠的蛋白質分子，并涉及到蛋白質第三級甚至是第四級構象的顯著變化。然而，這些傳遞信號的來源和原子水平上遠程信號傳播的分子機制仍然不清楚。這是因為信號通路中不同的空間尺度和時間尺度的變化給實驗觀測造成了困難，特別是現有的結構分析方法無法直觀地觀察到移動質子的位置和運動。在本文中，德國喬治奧古斯特大學哥廷根分校的Ricardo A. Mata和Kai Tittmann等發現在多聚酶協同作用途徑中低勢壘氫鍵能夠作為開關元件進行構象調控。他們在兩種多聚酶的超高分辨率X射線晶體結構中觀察到這些低勢壘氫鍵，并用理論計算對其分布進行了驗證。在由酸性側鏈和水分子組成的通路中，活性中心的催化反應在低勢壘氫鍵和普通氫鍵之間切換，這些現象通過質子的集體重新定位來傳遞信號。經由這種方式產生的信號溝通使得低聚物中發生的催化作用能夠同步進行。該工作不僅為蛋白質中低勢壘氫鍵的存在提供了實驗證據和理論模型，而且還為酶的協同作用提供了聯系。這一發現為藥物和酶的設計提出了新的方案，即可以有目的地設計相應的殘基序列以實現遠程通信，從而調節工程生物分子。
Shaobo Dai, et al, Low-barrier hydrogen bonds in enzymecooperativity, Nature,2019
DOI：10.1038/s41586-019-1581-9
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1581-9
6. 可電化學重構的架構材料丨Nature
架構材料可以通過改變其幾何形狀來主動響應外部刺激（例如機械力，水合作用和磁場）來實現新穎的功能。這種轉換通常是二元的和易變的，因為它們在“開”和“關”狀態之間切換并需要持久的外部刺激。近日，加州理工學院Julia R. Greer等開發了一種三維硅涂層四方微晶格，其可通過協同梁彎曲轉換成正弦模式，以響應電化學驅動的硅-鋰合金化反應。作者通過化學-力學建模和統計力學分析研究了各個彎曲梁的機械動力學，相鄰梁之間的協同耦合以及區域尺寸的鋰離子速率依賴的分布。該結果強調了缺陷和能量波動在架構材料動態響應中的關鍵作用。作者進一步證明，可以通過預先設計人工缺陷來編程域邊界以形成特定圖案，并且可以通過微架構設計實現各種重新配置自由度。該框架可實現電化學可重構架構材料的設計，制造，建模，行為預測和編程，并可為超嵌入電池電極，可調諧聲子晶體和生物可植入設備開辟道路。
Xiaoxing Xia, et al. Electrochemically reconfigurable architected materials. Nature, 2019
DOI: 10.1038/s41586-019-1538-z
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1538-z
7. 電生碳正離子合成受阻二烷基醚丨Nature
受阻醚具有很高的應用價值；然而，由于它們很難通過常規反應來合成，因此其合成方法仍然是化學空間中未被充分探索的領域。這類化合物在藥物化學中非常重要，因為乙醚鍵的廣泛取代防止了不必要的代謝過程，而這些代謝過程可能會導致藥物在體內的快速降解。在本文中，美國斯科利普斯研究中心的Baran等報道了一種合成受阻醚的簡單方法，即用電化學氧化從簡單羧酸中釋放出高能碳正離子。這些以低電化學電位生成的反應性碳正離子中間體在非酸性條件下能夠捕獲醇供體從而形成一系列醚（本文中制備了80多種醚）。這些碳正離子也可以被簡單的親核試劑截獲，從而形成受阻醇甚至烷基氟化物。研究人員對該方法在制備12種化學支架時避開合成瓶頸的能力進行了評估，從而提高了所需產品的產量并大大減少了制備所需的步驟和勞動量。利用分子探針和動力學研究所得到的結果結果支持所提出的機理和添加劑在所研究條件下的作用。本文所報道的反應證明了電化學在溫和條件下獲得高反應性中間體的能力，同時也反過來說明了這些原本不可接近的中間體可以在效率上得到實質性的提高。
Jinbo Xiang, et al. Hindered dialkyl ether synthesis with electrogenerated carbocations,Nature, 2019
DOI：10.1038/s41586-019-1539-y
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1539-y
8. 高強度照射下的本質穩定有機太陽能電池丨Nature
最近，有機光伏太陽能的效率正在逐步接近其在商業上的可行標準，尤其是在利用其柔性和半透明性的獨特潛力的相關應用中。然而，有機太陽能電池的穩定性的提高仍然面臨著巨大的挑戰，即使是迄今為止報道的最穩定的有機太陽能器件也只維持了幾年的穩定性。研究人員發現，采用弱鍵合作用有機材料構筑的太陽能電池器件其固有的缺點就是工作壽命短。盡管在過去的這些年里有機發光器件得到了快速發展和廣泛接受且其循環壽命高達幾百萬小時，但是這種質疑其穩定性的觀點仍然存在。在本文中，美國密歇根大學的Forrest等研究了一類非常穩定的熱蒸發單結有機光伏電池。他們將包裝好的電池單體暴露在高達37個太陽的白光照射下以加速其老化過程。在暴露超過68天之后，這些電池的啟動效率保持在87%以上。電池的降解速率隨光照強度強度呈超線性增加，研究人員據此外推得到其固有壽命t80超過4.9×107小時，其中t80是功率轉換效率降低至其初始值80%所需的時間，這相當于27000年的戶外生活。此外，研究人員將第二組有機光伏電池置于20個太陽的紫外線照射（中心波長為365納米）下848小時，該劑量需要1.7×104小時（9.3年）才能在室外累積。該試驗期間未觀察到明顯的效率損失。總的來說，該工作發現在惰性氣氛中封裝的有機太陽能電池是非常穩定的，這使得它們作為一種實用的能源發電技術的應用前景富有希望。
Quinn Burlingame, et al. Intrinsically stable organic solar cells underhigh-intensity illumination, Nature, 2019
DOI：10.1038/s41586-019-1544-1
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1544-1
9. 直接合成N-CF3酰胺化合物的方法丨Nature
酰胺及其相關的羰基衍生物在物理和生命科學中具有重要意義。作為關鍵的生物學構件，酰胺的穩定性和構象影響肽和蛋白質的結構以及它們的生物學功能。此外，酰胺鍵形成是最常用的化學轉化之一。然而，由于缺乏有效的合成方法，同時結合了甲基化和氟化的N-CF3羰基單元尚未被開發出來。近日，德國亞琛工業大學Franziska Schoenebeck團隊報道了一種直接獲取酰胺及其相關羰基化合物的N-CF3類似物的方法。該方法依賴于氨基甲酰氟結構單元的制備，其可以容易地多樣化為相應的N-CF3酰胺，氨基甲酸酯，硫代氨基甲酸酯和脲。該方法可合成豐富的功能和立體化學的化合物，作者提供了大量高功能化合物的實例-包括廣泛使用的藥物，抗生素，激素和聚合物單元的類似物。
Thomas Scattolin, Franziska Schoenebeck*,et al. Straightforward access to N-trifluoromethyl amides, carbamates,thiocarbamates and ureas. Nature, 2019
DOI: 10.1038/s41586-019-1518-3
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1518-3
10. 未摻雜的GaN量子阱中的極化誘導二維空穴氣體丨Science
在寬帶隙p溝道晶體管的氮化物半導體中，高導電性二維（2D）空穴氣體是和2D電子氣一樣至關重要。康奈爾大學Reet Chaudhuri團隊報道了在AlN上外延生長的GaN中極化誘導的高密度二維空穴氣體。研究表明，這種空穴氣體可以在沒有受體摻雜劑的情況下形成。測得的高2D空穴氣體密度約為5×1013 cm-2，在低溫下仍保持不變，并且在所有寬帶隙半導體中允許某些最低的p型薄層電阻。該結果為研究寬帶隙氮化物界面的價帶結構和傳輸性質提供了一個有效嘗試。
Apolarization-induced 2D hole gas in undoped gallium nitride quantum wells，Science
DOI:10.1126/science.aau8623
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1454
11. 低成本SnS0.91Se0.09晶體中的高熱電性能丨Science
熱電技術是一種允許在熱和電之間進行轉換的技術。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。北京航空航天大學趙立東團隊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。這種行為使得有效質量（m *）和載流子遷移率（μ）之間的協同優化，并且可以通過引入硒（Se）來增強。功率因數從?30 μW cm-1 K-2提高到了?53μW cm-1 K-2（在300 K時），同時降低了硒合金化后的導熱系數。在SnS0.91Se0.09晶體中，在873 K時獲得的最高品質因數ZT（ZTmax）為?1.6，在300至873 K時獲得的平均ZT（ZTave）為?1.25。頻帶操縱策略為優化熱電性能提供了另一條途徑。
High thermoelectricperformance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals，Science
DOI:10.1126/science.aax5123
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1418
12. 磁性Weyl半金屬Co3Sn2S2表面終端的費米弧分集丨Science
Weyl半金屬中的體表面對應確保形成拓撲“費米弧”表面帶，其存在由體Weyl節點保證。通過研究鐵磁半金屬Co3Sn2S2的三個不同的表面終端，魏茨曼科技大學Haim Beidenkopf團隊通過光譜學驗證其分類為時間反轉對稱破壞的Weyl半金屬。研究表明，由三個不同終端施加的不同表面電位修改了費米弧輪廓和Weyl節點連通性。在錫（Sn）表面上，識別費米弧的布里淵區內Weyl節點連通性，而在鈷（Co）終端上，連通性跨越相鄰的布里淵區域。在硫（S）表面上，費米弧與非拓撲體和表面狀態重疊。因此，解決了Weyl半金屬的拓撲保護和非保護電子特性。
Fermi-arc diversityon surface terminations of the magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2，Science，2019
DOI：10.1126/science.aav2334
https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1286
13. 化學鍵形成經歷從物理吸附到化學吸附的轉變過程丨Science
通過克服能壘，表面分子可以從物理吸附通過弱van-der-Waals力轉變為強結合的化學吸附狀態。近日，雷根斯堡大學Franz J. Giessibl等研究表明，吸附在原子力顯微鏡尖端的CO分子能夠控制觀察鍵的形成，包括其從物理吸附到化學吸附的潛在轉變。在Cu（111）表面上Cu和Fe吸附原子的成像期間，CO不是化學惰性的，而是通過物理吸附的局部能量最小值轉變為化學吸附的全局最小值，并且觀察到Fe原子的能壘。DFT計算表明，該轉變通過CO分子的電子態與Fe和Cu吸附原子的s-，pz-和dz2-型軌道雜化發生，導致化學鍵合。
Ferdinand Huber, Franz J. Giessibl*, etal. Chemical bond formation showing a transition from physisorption tochemisorption. Science, 2019
DOI: 10.1126/science.aay3444
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/09/11/science.aay3444?rss=1
14. 通過脫金屬作用調節高指數面納米顆粒的形狀丨Science
2019年，美國西北大學Chad A. Mirkin課題組迎來重大突破，Pt二十四面體重出江湖，與此同時，還帶來了Pd, Rh, Ni, Co以及多種雙金屬二十四面體，直接為二十四面體高指數納米晶打造了一個小型的樣品庫。他們把目標金屬納米晶的前驅鹽或者金屬納米顆粒放在CVD爐中，同時放入的，還有經過選擇的Sb, Bi, Pb或Te金屬粉（選擇要點：低沸點，已報道過可提高催化活性）。在900℃，Ar或Ar/H2條件下，金屬粉揮發，與目標金屬形成合金，然后再蒸發走，經歷去合金化過程，最后自然降溫冷卻，就得到了目標的二十四面體高指數納米晶（負載于硅片或者活性炭載體）。
DFT計算和實驗表征都證實，這種方法合成的二十四面體主要暴露出{210}高指數晶面。為了驗證該方法之二比催化劑的應用性能，研究人員直接對商業Pt/C催化劑進行處理，基于高指數晶面以及清潔表面，處理過的二十四面體Pt/C-Bi納米催化劑在甲酸電催化氧化模型反應中的電流密度（0.5V，1.37 A/mg）比商業Pt/C催化劑的電流密度（0.5V，0.07 A/mg）高出了20倍。
Liliang Huang et al.Shape regulation ofhigh-index facet nanoparticles by dealloying. Science 2019,365, 1159-1163.
DOI：10.1126/science.aax5843
https://science.sciencemag.org/content/365/6458/1159
15. 四百年來里程碑，史上最小光譜儀問世！丨Science
近日，英國劍橋大學的科研團隊與來自中國、英國以及芬蘭的研究機構合作，開發出了尺寸僅幾十微米的光譜儀。其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一，是世界最小的光譜儀。 他們用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統光譜儀中的分光和探測元件，采用和制作電腦芯片類似的工藝在這種納米線上加工出了光探測器陣列，巧妙地利用各個探測器對不同顏色光具有不同響應的特性，通過逆問題的求解，從響應函數方程組中重構出所需要測量的光譜信息。
該微型光譜儀與廣泛使用的手機攝像系統具有良好的兼容性，可設計成緊湊式光譜儀模塊使手機具備光譜探測能力，把強大的光譜分析技術從實驗室搬到手掌上，方便在生活中測量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測技術有望走進大眾日常生活中。 由于極小的尺寸，他們還展示了用該微型光譜儀對單個細胞進行掃描光譜成像。不同于以往的細胞成像技術，該光譜成像可以讓圖像中的每個像素包含豐富的光譜信息，從而可以分析細胞每個部分的化學變化。通過后續的開發這種微型光譜儀將有望可以通過注射植入到人體，用于實時監測人體健康狀況，為癌癥等疾病檢測提供一種新的方法。
Zongyin Yang et al. Single nanowirespectrometers. Science2019.
DOI: 10.1126/science.aax8814
https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1017
16. 單層石墨烯折紙術！丨Science
原子級精確的碳納米材料不斷為材料科學帶來突破和驚喜，最近的一次，當屬魔角石墨烯了。理論預測，單層或雙層石墨烯經過折疊或者卷曲，形成的石墨烯納米結構將表現出有趣的電子特性。不過，這種折疊方法至今未能實現。 有鑒于此，中科院物理所高鴻鈞、杜世萱研究員合作報道了一種原子級精確的石墨烯折紙復雜納米結構，為探索石墨烯的新性能打開了新方向。
在4K低溫條件下，研究人員利用STM針尖對石墨表面刻蝕的石墨烯納米島進行折疊和展開操作，折疊方向或任意為之不設限制。或沿著指定方向。折疊角度可以精確控制以在雙層石墨烯中創造不同的扭曲角，并形成管狀邊緣。對單晶石墨烯納米島進行折疊，可以形成管狀邊緣，這種邊緣具有特殊的手性以及類似碳納米管的一維電子特性。對雙晶（bicrystal）石墨烯納米島進行折疊，可以實現精準的分子間連接。 所有折紙結構模型和電子能帶結構的理論計算都與實驗結果相符。他們還折疊出5-7環缺陷，并通過STM探索了這種異質結的獨特結構特征。
Hui Chen, et al. Atomically precise,custom-design origami graphene nanostructures.Science 2019, 365, 1036-1040.
DOI: 10.1126/science.aax7864
https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1036
