【前言】

    2016年已然悄然走向尾聲，中國科研人員的學術貢獻在國際上越發顯著。在此辭舊迎新之際，為您精選2016年以來材料領域中，中國學者發表在頂級期刊Science上的優秀工作。

    下面讓我們來看看這些在國際上展現風采的中國科研人員的精彩文章，細細品味這些科研成果的美妙之處吧！

    【成果速覽】

    1、廈門大學：原子級分散鈀催化劑的光化學合成路線

    圖1  Pd1/TiO2的結構表征

    廈門大學的鄭南峰（通訊作者）和傅鋼（通訊作者）等人報道了一種制備在乙烯乙二醇（EG）上的穩定原子級分散鈀-鈦氧化物催化劑（Pd1/TiO2），即含鈀多達1.5%的穩定超薄TiO2納米片的光化學方法。Pd1/TiO2的催化劑對于C = C鍵加氫反應具有較高的催化活性，超過商業鈀催化劑表面鈀原子的9倍。在試驗中循環20個周期沒有觀察到衰退。更重要的是，Pd1/TiO2-EG系統可以激活H2的異種裂解，導致在醛加氫反應中超過55倍的增強。

    文獻鏈接：Photochemical route for synthesizing atomically dispersed palladium catalysts （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf5251）

    2、 北京大學和量子物質科學協同創新中心：非彈性電子隧穿增強探針探測氫鍵的核量子效應

    圖2  實驗布置與軌道柵控

    北京大學和量子物質科學協同創新中心的江穎（通訊作者）、王恩哥（通訊作者）和李新征（通訊作者）等人通過使用基于掃描隧道顯微鏡的探針增強非彈性電子隧道譜，得到了水-鹽界面上形成的單一氫鍵強度的核量子效應定量評估。由于非彈性散射截面通過氯終端探針對水的前線軌道進行柵控產生共振增強，所以氫鍵強度可以通過水中的氧-氫伸縮頻率的紅移來高精度的確定。同位素取代實驗結合量子模擬表明，氫原子核的非簡諧量子振動會減弱弱氫鍵和而對相對強的氫鍵加強加強。然而，當氫鍵強烈耦合到表面處極性原子位置時這種趨勢會完全相反。

    文獻鏈接：Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf2042）

    3、 北京師范大學和中國科學院理論物理所：兩個尺度上的量子臨界性

    圖3  自旋子圖示

    北京師范大學和中國科學院理論物理所的郭文安（通訊作者）和波士頓大學的Anders W. Sandvik（通訊作者）發現這一現象可以通過引入與兩個不同的尺寸有關的臨界尺寸來解決。對反鐵磁體和二聚化基態的量子磁模擬確認這一方法的有效性，證明了解禁激發時的連續轉變，同時也解釋了在T>0時的反常標度。該研究小組的研究結果修正了現行的量子臨界性范式，對于許多強相關材料有著潛在的影響。

    文獻鏈接：Quantum criticality with two length scales （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aad5007）

    4、 北京航天航空大學：超高功率因數和熱電性能的空穴摻雜單晶SnSe

    圖4  SnSe的晶體結構

    北京航天航空大學和美國西北大學的趙立東（通訊作者）以及美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis（通訊作者）等人通過空穴摻雜硒化錫（SnSe）晶體獲得了破紀錄的ZTdev，其約1.34，此時在300K到773K溫度范圍內ZT的值在0.7到2之間。超高的功率因數將會帶來性能的顯著提升，而SnSe中的多個電子價帶導致的高導電性和強烈增強的塞貝克系數能夠帶來超高的功率因數。因此，SnSe可以作為是低溫和中溫范圍內應用于能量轉換的穩健的熱電材料候選者之一。

    文獻鏈接：Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aad3749）

    5、 中國科學院物理研究所和量子物質科學協同創新中心：單晶LixFe7Se8中電子安德森局域化

    圖5  Fe7Se8、LixFe7Se8的晶體結構和單晶光學照片

    中國科學院物理研究所和量子物質科學協同創新中心的陳小龍（通訊作者）等人報道了厘米級別LixFe7Se8單晶體中由于晶格紊亂引起的金屬絕緣體轉變（MIT）。在低溫下對電子傳輸的測量得到的三維變程躍遷（VRH）機制揭示了費米能級處電子態的局域化屬性。對載流子濃度、遷移率和模擬的能態密度（DOS）的定量分析完全支持LixFe7Se8是一種安德森絕緣體。未來，這種材料可以作為理論和實驗上研究MIT以及其他無序誘導現象的基石。

    文獻鏈接： Anderson localization of electrons in single crystals: LixFe7Se8 （Science Advances，2016，DOI: 10.1126/sciadv.1501283）

    6、 北京大學：穩定可逆光控電導的共價鍵和單分子結

    圖6  可逆型石墨烯-二芳烯-石墨烯橋聯體結構的單分子光電子開關工作原理示意圖

    北京大學郭雪峰（通訊作者）、賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan（通訊作者）和北京大學徐洪起（通訊作者）等人利用理論模擬預測和分子工程設計的方法在二芳烯功能中心和石墨烯電極之間成功引入關鍵性的亞甲基基團，最終所得實驗結果和理論預測結果一致，表明新體系成功地實現了分子和電極間界面耦合作用的優化，從而突破性地構建了一類可逆型的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件。石墨烯電極穩定的碳骨架以及與二芳烯分子形成的牢固的分子/電極間鍵合作用使得這些單分子開關器件具有空前的開關精度、穩定性和可重復性，在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術等方面具有巨大的應用前景。

    文獻鏈接： Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf6298）

    7、 中國科學院大連化學物理研究所：合成氣到低碳烯烴的選擇性轉化

    圖7  氧化物—多孔沸石（OX-ZEO）中MSAPO的作用

    中國科學院大連化學物理研究所的包信和（通訊作者）和潘秀蓮（通訊作者）等人得到了在一氧化碳（CO）轉化率為17%時低碳烯烴（C2=–C4= ）的選擇性大于80%以及低碳烴類產物（C2–C4）的選擇性達到94%的結果。這一實驗結果是利用一種雙功能催化劑得到的，該催化劑提供了具有互補特性的兩種活性中心。部分還原的氧化物表面（ZnCrOx）激活CO和H2，隨后在密閉的沸石酸性毛孔中操縱C?C耦合。此外，該復合催化劑和反應可能允許使用具有低的H2/CO比的煤和生物質衍生的合成氣。

    文獻鏈接：Selective conversion of syngas to light olefins （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf1835）

    8、 吉林大學：利用羥自由基使沸石加速結晶

    圖8  298 K時紫外線照射和黑暗條件下的結晶過程

    吉林大學于吉紅（通訊作者）等人揭示了羥自由基參與水熱條件下的沸石結晶化。沸石的結晶過程，如Na-A，Na–X，NaZ–21以及silicalite-1，羥基自由基可以顯著加速沸石分子篩的結晶化。通過紫外照射或Fenton反應向沸石分子篩水熱合成體系額外引入羥基自由基，能夠顯著加快沸石分子篩的成核，從而加速其晶化過程。

    文獻鏈接：Accelerated crystallization of zeolites via hydroxyl free radicals （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf1559）

    9、 華東理工大學&天津大學：均勻分散的多金屬氧催化劑

    圖9  通過合金化調節OER中間體的能量

    華東理工大學的張波（第一作者）、天津大學的鄭雪莉（第一作者）以及多倫多大學的Edward H. Sargent（通訊作者）、斯坦福大學的Aleksandra Vojvodic （通訊作者）等開發了一種常溫合成具有原子級均勻的金屬分布的氫氧化物膠體材料。這些膠體FeCoW氫氧化物在堿性電解液中每平方厘米10毫安表現出最低的過電位（191毫伏）的性能。該催化劑在超過500小時的操作后沒有顯示出退化的跡象。X射線吸收和計算研究揭示了在制造有利的局域協調環境和增強OER能量學的電子結構時鎢、鐵和鈷之間的協同相互作用。

    文獻鏈接：Homogeneously dispersed multimetal oxygen-evolving catalysts （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf1525）

    10、清華大學&量子物質科學協同創新中心：原子級厚度SnTe薄膜面內鐵電性的發現

    圖10 由自發極化和疇壁調控誘發的能帶彎曲

    最近，清華大學物理系、量子物質科學協同創新中心的陳曦（通訊作者）和季帥華（通訊作者）等人成功利用分子束外延技術制備出了高質量、原子級厚度的SnTe薄膜，并利用掃描隧道顯微鏡（STM）觀測到鐵電疇、極化電荷引起的能帶彎曲，以及STM針尖誘導的極化翻轉，證明了單原胞厚度的SnTe薄膜存在穩定的鐵電性。分析表明，量子尺度效應引起的能隙增大、高質量薄膜中缺陷密度以及載流子濃度的降低，是鐵電增強的重要原因。同時，薄膜厚度的降低導致面內晶格增大在鐵電性增強上起到部分作用。具有面內極化方向的SnTe鐵電薄膜在電子器件方面有著潛在的廣泛應用前景。

    文獻連接：Discovery of robust in-plane ferroelectricity in atomic-thick SnTe（Science ，2016，DOI: 10.1126/science.aad8609 ）

    11、浙江大學：雜化多孔材料孔化學和尺寸控制實現乙炔乙烯分離

    圖 11 雜化多孔材料和乙炔的中子衍射晶體結構圖

    浙江大學邢華斌教授（通訊作者）、愛爾蘭利莫瑞克大學Michael J. Zaworotko教授（通訊作者）和美國德克薩斯大學陳邦林教授（通訊作者）等人采用離子雜化多孔材料，突破了氣體分離選擇性和容量之間的trade-off效應，實現了乙炔乙烯的高效分離。該材料擁有三維網格結構，網格上嵌有的無機陰離子通過氫鍵作用可專一性的識別乙炔分子，獲得迄今為止最佳的乙炔乙烯分離選擇性。與此同時，調控陰離子的空間幾何分布和孔徑大小，促使被吸附的乙炔分子之間或乙炔-多孔材料之間形成協同作用，獲得極高的乙炔吸附容量。從而解決了傳統氣體吸附過程分離選擇性和容量難以兼具的巨大挑戰。

    文獻鏈接：Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf2458）

    12、中國科學技術大學：介觀尺度“組裝與礦化”合成人工貝殼

    圖12 通過模擬生物礦化過程合成人工珍珠層的步驟

    中國科學技術大學俞書宏（通訊作者）課題組首次提出一種全新的介觀尺度“組裝與礦化”相結合的方案，解決了多年來難以通過模擬生物體內天然材料生長過程的方法制備人工珍珠層結構材料的問題。通過高度模擬軟體動物珍珠層的生長方式和控制過程，俞書宏課題組成功合成了宏觀尺度仿珍珠層塊體材料。不同于以前報道的仿珍珠層材料或仿生礦化方法得到的微觀晶體，這是首次通過完整模擬天然珍珠層形成過程而獲得的人工仿生結構材料，這種材料具有與天然珍珠層高度相似的化學組成和跨尺度的有序結構。

    文獻鏈接：Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf8991）

    13、蘇州大學&北京大學：雙軸應力PtPb/Pt結構增強ORR性能

    圖13 PtPb納米片/ C、PtPb納米顆粒/ C以及商業化的Pt / C催化劑的ORR電催化性能

    近期，蘇州大學黃小青（通訊作者）、北京大學郭少軍（通訊作者）和美國布魯克海文國家實驗室（通訊作者）的Dong Su成功利用化學法制備出高質量單片分散的PtPb納米片。利用球差矯正的高分辨透射電鏡、同步輻射X射線吸收光譜等先進表征手段和密度泛函理論計算，研究人員發現4-6層的Pt非常完美地覆蓋在PtPb納米片表面，從而構建出獨特的PtPb/Pt結構。研究發現，Pt（110）表面較大的拉應變能夠很好的地促進氧還原反應（ORR），這表明基于這一PtPb/Pt結構的催化劑具有非常優異的ORR性能。

    文獻鏈接：Biaxially strained PtPb/Pt core/shell nanoplate boosts oxygen reduction catalysis（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah6133）

    【后記】

    2016年即將結束，新的一年也正踏步而來，中國的學術力量正在國際學術圈中綻放自己的光彩，那么新的一年也祝福各位讀者能在自己的領域發光發熱！

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責任編輯：王元

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