1、Nuture : 為拓撲電子材料編目

    硒化鉍等拓撲電子材料在塊體等狀態中常常呈現出超常規線性響應性能，這類獨特現象因其在高性能電子器件和量子計算等領域的潛在應用而受到基礎研究和應用探索領域的熱切關注。然而，由于難以同時具備豐富的材料經驗和先進的理論工具，目前的研究工作常常受限于拓撲不變量的計算難度而無法深入開展。

    中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家研究中心的翁紅明副研究員以及方辰研究員（共同通訊作者）等人發表文章介紹了一種能夠高效分析非磁性材料中非平凡能帶拓撲學（Nontrivial band algorithm）的自動化算法。這一算法是通過研究占據態對稱性與拓撲不變量之間的關系而建立的。基于該算法，研究人員在39519中材料中發現有8056種材料是拓撲非平凡的，不僅如此，通過交互式網頁界面，這些被發現的材料均可被查詢研究。這一工作大大拓寬了人們對于非平凡拓撲學的認識。2019年02月27日，相關成果以題為“Catalogue of topological electronic materials”的文章在線發表在Nature上。

    導讀鏈接：中科院物理所最新Nature:為拓撲電子材料編目

    文獻鏈接：Catalogue of topological electronic materials（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-019-0944-6）

    2、Nuture ：弱拓撲絕緣態在實驗中首次被驗證

    過去十年中，拓撲材料的重大突破，都是由Z2型拓撲絕緣體引發的。Z2型拓撲絕緣體是一種內部絕緣但允許電子在其表面流動的材料。在三維空間中，拓撲絕緣體分為強弱兩種，強拓撲絕緣體很快被實驗所證實。相比之下，弱拓撲絕緣體（WTI）到目前為止還沒有得到實驗驗證，因為拓撲表面狀態只出現在特定的側端面上，通常在真實的三維晶體中是無法檢測到的。

    東京大學Takeshi Kondo和東京工業大學T. Sasagawa團隊（共同通訊作者）合作，從實驗上證明了碘化鉍（β-Bi4I4）中WTI態的存在。值得注意的是，這種晶體通過范德華力堆疊，具有明顯的自然劈裂的上端面和側端面，這對實驗上實現WTI態十分有利。作為WTI態的一個確定標志，在側端面（100）發現準一維狄拉克拓撲表面態，而在上端面（001）面沒有發現拓撲表面態。此外，進一步發現在接近室溫下，從β相到α相的晶體轉變驅動了從非平凡的WTI到普通絕緣體的拓撲相變。弱拓撲相可以被看作是三維堆積方向上的量子自旋霍爾（QSH）絕緣體，將為高度定向的和密集的自旋電流技術奠定基礎。相關研究成果以“A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide”為題發表在Nature上。

    導讀鏈接：東京大學&東京工業大學Nature：弱拓撲絕緣態在實驗中首次被驗證

    文獻鏈接：“A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide”

    3.Science：受鋰離子電池化學啟發，可擴展、安全的合成有機電還原

    在美國斯克里普斯研究所Byron K. Peters教授和Kevin X. Rodriguez教授團隊（通訊作者）的帶領下，與美國猶他大學、美國輝瑞全球研發中心、凱萊英生命科學技術（天津）有限公司和明尼蘇達大學合作，展示了幾十年來對鋰離子電池材料、電解質和添加劑的研究如何為實現伯奇還原的實際可擴展的還原電合成條件提供靈感。具體來說，團隊證明使用犧牲陽極材料（鎂或鋁），結合廉價，無毒，水溶性質子源（二甲基脲），以及受電池技術啟發的過充電保護劑[三（吡咯烷基）磷酰胺]，可以進行大規模的藥物相關結構單元的合成。團隊還展示了相對于傳統的電化學和化學溶解金屬還原，官能團在這些條件下如何具有非常高水平的耐受性。最后，團隊證明了相同的電化學條件可以應用于其他溶解金屬型還原轉化，包括McMurry偶聯，還原酮脫氧和環氧化物開環。相關成果以題為“Scalable and safe synthetic organic electroreduction inspired by Li-ion battery chemistry”發表在了Science上。

    導讀鏈接：今日Science：受鋰離子電池化學啟發，可擴展、安全的合成有機電還原

    4.Science：具備超級隔熱性能的陶瓷氣凝膠

    陶瓷氣凝膠以其低密度、低熱導率和良好的耐火、耐腐蝕特性而被認為是理想的隔熱材料。然而，質脆以及晶化誘導的粉碎行為使得陶瓷氣凝膠常常在顯著的溫度梯度變化或者長期的高溫暴露中表現出嚴重的強度退化甚至結構崩塌的現象。鑒于極端條件下的隔熱要求相應的材料具備異常優異的穩定性，因此同時具備強大的機械和熱學穩定性就成為陶瓷氣凝膠在隔熱領域進一步發展應用的主要障礙。

    近期，哈爾濱工業大學的李惠研究員和加州大學洛杉磯分校的黃昱、段鑲鋒（共同通訊作者）等人利用三維石墨烯氣凝膠模板設計合成了同時具有強大的機械和熱學穩定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷氣凝膠材料。這類陶瓷材料由納米層狀雙窗格壁組成，整體呈現出超低密度的雙曲線構造形態。而這一特殊結構賦予材料負泊松比（-0.25）以及負線性熱膨脹系數（-1.8x10-6/℃），致使材料維持熱穩定性的同時依然能表現出優異的可變形性和斷裂韌性。在劇烈的熱休克（大約275℃/s）以及長期高溫暴露過程中，這類材料表現出優異的熱穩定性以及幾乎為零的強度損失。同時此種氣凝膠還表現出超低的熱導率（在真空中約為2.4 mW/m·K，在空氣中約為20 mW/m·K），因此研究人員認為基于上述新型陶瓷氣凝膠可以設計理想的超級隔熱系統并在航天器等領域有所應用。2019年02月15日，相關成果以題為“Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation”的文章在線發表在Science上。

    導讀鏈接：UCLA&哈工大合作Science:具備超級隔熱性能的陶瓷氣凝膠

    文獻鏈接：Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav7304）

    5、Nuture ：用隧道顯微鏡映射絕緣體上電子轉移時的軌道變化

    眾所周知，電子轉移在光合作用、燃燒等許多化學反應中起著至關重要的作用。盡管氧化還原狀態的轉變改變了所涉及分子的電子結構，但是要在單分子水平上映射這些變化也是非常有挑戰性的。如今，隨著科技的快速發展，生產出了許多更先進的大型檢測儀器。其中，利用掃描隧道顯微鏡就可以觀測單個分子的軌道結構及其相互作用，但是需要使用導電基底以使分子保持在給定的電荷狀態，從而抑制其氧化還原狀態的轉變。雖然原子力顯微鏡可用于絕緣體上，以獲得結構和靜電信息，但是通常不能獲得電子狀態。因此，觀測絕緣體上電子轉移時的軌道變化是具有挑戰性的工作。

    最新報道了德國Regensburg大學的Laerte L. Patera教授和Jascha repp教授（共同通訊作者）等人利用導電原子力顯微鏡尖端的尖端振蕩同步于尖端和基板之間的電子隧道效應，在絕緣體基板上進行隧穿實驗，從而將孤立分子的軌道結構映射為它們的氧化還原狀態的函數。因此，能夠解決先前無法解決的空間和能量上的電子轉移問題，并可視化電子轉移和極化子形成對單分子軌道的影響。同時文中，作者利用原子力顯微鏡（AFM）、動態隧道力顯微鏡（DTFM）和交替充電掃描隧道顯微鏡（AC-STM）等先進技術手段進行了檢測證明。更重要的是作者預期他們的方法將有助于在亞埃分辨率下研究復雜的氧化還原反應和充電相關的現象。文章題目為“Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators”。

    導讀鏈接：最新Nature報道！ 用隧道顯微鏡映射絕緣體上電子轉移時的軌道變化

    文獻鏈接：

    6.Science：探討堿金屬陽離子添加量與鹵素分布的關系

    目前已錄得最高轉換效率的鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）是由混合的甲胺等有機陽離子和混合的溴、碘等鹵素陰離子制備形成的。研究人員發現，調控有機/無機離子的化學計量數是實現高效光電流的關鍵。然而，前驅體的化學計量數的調控以及堿金屬的引入對改善材料性能、穩定性等方面的機理探索依然還處在起步階段。

    近期，美國麻省理工學院的J.-P. Correa-Baena、T. Buonassisi和加州大學圣地亞哥分校的D. P. Fenning（共同通訊作者）等人利用納米分辨率級的繪圖成像技術闡釋了鈣鈦礦中堿金屬的元素分布及其對材料電子學性質以及器件性能的影響。研究人員利用基于同步加速器的納米尺度X射線熒光成像（n-XRF）繪制了多離子鈣鈦礦的元素分布，實驗發現隨著碘化銫或者碘化銣/碘化銫混合物的引入，鹵素分布變得更加均勻。瞬態吸收光譜也表明，相比起碘化銣/碘化銫鈣鈦礦，沒有引入堿金屬碘化物的鈣鈦礦薄膜在電荷載流子動力學上也表現出更加明顯的異質性。研究還進一步發現，少量堿金屬的引入雖然能夠使得鹵素分布更加均一，然而當堿金屬的加入量超過1%（化學計量數）時，就會容易形成第二相富含堿金屬的聚集體，從而誘導載流子在堿金屬簇上復合重組。因此，該項研究對于調控堿金屬鹵化物的添加量具有指導性意義。2019年02月08日，相關成果以題為“Homogenized halides and alkali cation segregation in alloyed organic-inorganic perovskites”的文章在線發表在Science上。

    導讀鏈接：有機-無機鈣鈦礦最新Science:探討堿金屬陽離子添加量與鹵素分布的關系

  文獻鏈接：Homogenized halides and alkali cation segregation in alloyed organic-inorganic perovskites（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aah5065）

    7.Nature:金屬酶構建化療藥物的藥效基團

    鏈脲佐菌素（SZN/STZ）是一種天然的氨基葡萄糖-亞硝基脲類化合物，它不僅是一種抗癌的化療藥物，也常常因為對胰島β細胞具有毒性而被用于引發建立糖尿病動物模型。目前的研究發現，這一藥物主要通過產生DNA烷基化試劑以及活性氧前驅體來表現出對細胞的毒性，從而發揮特定的治療作用。然而，關于鏈脲佐菌素的生物合成途徑以及相關酶的作用依然未被揭示。

    賓夕法尼亞州立大學大學的A. K. Boal以及哈佛大學的E. P. Balskus（共同通訊作者）等人發表文章，研究闡釋了相關金屬酶在構建SZN藥效基團過程中的作用機理。研究人員認為這一被命名為SznF的金屬酶能夠參與到SZN的生物合成過程中，催化甲基精氨酸（L-NMA）上的胍基發生氧化重排反應，從而生成亞硝基脲類最終產物。SznF的結構表征及突變現象還揭示了這一金屬酶中存在兩種獨立的活性位點，可在含鐵輔酶因子（Metallocofactors）作用下通過截然不同的兩個過程促進上述重排反應的發生。這一非血紅素鐵酶催化形成亞硝基脲類的生物合成反應在酶化學或者有機合成中幾乎找不到先例，因此該研究充實了對非血紅素鐵酶在天然產物生物合成過程中所扮演角色的認知。2019年02月06日，相關成果以題為“An N-nitrosating metalloenzyme constructs the pharmacophore of streptozotocin”的文章在線發表在Nature上。

    導讀鏈接：生物合成最新Nature:金屬酶構建化療藥物的藥效基團

    文獻鏈接：An N-nitrosating metalloenzyme constructs the pharmacophore of streptozotocin（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-019-0894-z）

    8.Science:利用分子振動譜分析同位素標記物

    分子同位素標記法是生物學實驗中常用的一種化學分析技術。這一分析技術一般通過譜學方法檢測標記的同位素來實現。質譜分析是檢測同位素標記最常用的方法，但是這種方法一般會造成樣品損壞導致原有結構信息的流失。此外，紅外、拉曼光譜或者非彈性中子散射也能夠分辨鑒定同位素標記和生物標記，從而可以實現觀察分子化學中動態變化的目的。然而，目前這些檢測同位素標記的方法存在著缺乏空間分辨率、要求相對較大的樣品數等問題，大大限制了同位素標記分析的進一步發展和應用。

    近期，美國橡樹嶺國家實驗室的J. A. Hachtel和J. C. Idrobo（共同通訊作者）等人利用掃描透射電子顯微學（STEM）的方法在氨基酸中實現了具有空間和譜學識別能力的位點特異性（site-specific）同位素標記。在STEM中，研究人員利用電子能量損失譜（EELS）記錄了丙氨酸的振動譜，并在納米級空間分辨率下直接解析碳位點特異性同位素標記。EELS顯示了13C標記的微量丙氨酸中羧酸基團碳位點因為C-O非對稱拉伸出現了4.8meV左右的同位素紅移現象，這一現象隨后通過紅外光譜以及理論計算得到了進一步的證實。這一精確的位移測量研究為在電子顯微學中實現具有空間分辨能力的位點特異性同位素標記無損分析奠定了基礎。2019年02月01日，相關成果以題為“Identification of site-specific isotopic labels by vibrational spectroscopy in the electron microscope”的文章在線發表在Science上。

    導讀鏈接：電子顯微學最新Science:利用分子振動譜分析同位素標記物

  文獻鏈接：Identification of site-specific isotopic labels by vibrational spectroscopy in the electron microscope（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav5845）

    9.Science綜述：二維磁性晶體及新興的異質結器件

    加州大學伯克利分校張翔教授（通訊作者）等人綜述了二維（2D）磁性晶體及其異質結的研究進展并且展望了這種材料可能在信息領域獲得應用。近年來發現的2D磁性范德瓦爾斯晶體為理解2D磁性提供了理想的平臺，通過控制2D磁性可以促進原子層厚的、柔性磁光和電磁器件（如磁阻存儲器和自旋場效應晶體管）的實際應用。2D磁體與不同的電子和光子材料之間的無縫化集成為實現單一材料前所未有的性能和功能開辟了一條嶄新的途徑。該論文回顧了這一領域的研究進展，并確定了器件應用的可能方向，同時有望引起自旋電子學、傳感器和計算機等領域的進一步突破。該綜述以題為“Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices”發表于國際頂尖期刊Science。

    導讀鏈接：加州大學伯克利分校張翔教授Science綜述：二維磁性晶體及新興的異質結器件

    文獻連接：Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450）

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責任編輯：殷鵬飛

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