5月25篇Science/Nature,看材料化学前沿发展趋势!
纳米人 纳米人 2019-06-11

说明:

本次集锦以每月发表在Science和Nature杂志上的材料化学领域前沿成果为主,并广泛涉物理、生物、计算等交叉领域。因为是交叉学科,加上编辑学识有限,所以难免疏漏和错误,敬请留言批评指正。

 

1. 低温压缩冰时非晶态的缺失丨Nature

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高密度非晶冰(HDA)最初是在130 K以下将冰I压缩到11 kbar的过程中产生的,该过程被描述为热力学熔融,这意味着HDA是水的玻璃态。然而,HDA的形成也被归因于引起结构坍塌的机械不稳定性,并与动力学太慢而无法发生再结晶有关。有鉴于此,美国橡树岭国家实验室Chris A. Tulk团队进一步研究了以上过程中动力学所起的作用,结果表明,如果缓慢地进行,即使在100 K下(此温度下通常会形成HDA)压缩冰I也会依次形成质子有序、非互穿结构的冰IX′,质子有序、互穿结构的XV′,最后形成冰VIII′。相比之下,快速压缩也产生了HDA,但没有形成冰IX,并且冰I向冰XV '的直接转变在结构上受限。这些观察结果一方面表明,HDA的形成是低密度冰I和高密度冰XV '之间的动力学停滞转化的结果,另一方面也挑战了将非晶冰与过冷液态水联系起来的理论。


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ChrisA. Tulk, Jamie J. Molaison, Adam R. Makhluf, Craig E. Manning & Dennis D.Klug. Absence of amorphous forms when ice is compressed at low temperature.Nature, 2019.

DOI:10.1038/s41586-019-1204-5

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1204-5#article-info


2. 首次实现分米级二维单晶六方氮化硼的制备丨Nature

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 由于二维材料相比传统的硅基器件能够提供更小的尺寸、更快的速度和更多的功能,因此二维材料的发展为其在电子、光电和光伏领域的应用开辟了可能。实现二维元件(即导体、半导体和绝缘体)大型、高质量的单晶的生长对于二维器件的工业应用至关重要。原子层六方氮化硼(hBN)具有稳定性好、表面平整、带隙大等优点,是目前国内外最好的二维绝缘材料。然而,二维六方氮化硼单晶的尺寸由于生长困难通常在1毫米以下。这些困难包括过度成核阻止从单核成长为大的单晶体,以及hBN晶格的三重对称性导致反平行域和基底上的双边界。

 

有鉴于此,北京大学刘开辉教授团队发现通过退火工业铜箔能实现100平方厘米单层单晶hBN在低对称Cu(110)表面上的外延生长。结构表征和理论计算表明,铜台阶边缘与hBN之字形边缘的耦合实现了外延生长,这打破了反平行hBN域的等效性,使得单向域排列超过99%。该发现有望促进二维器件的广泛应用,并实现广泛的非中心对称二维材料的外延生长。


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LiWang, Kaihui Liu et al, Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper, Nature,2019

DOI:10.1038/s41586-019-1226-z

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1226-z


3. 晶格锚固可稳定溶液处理的半导体丨Nature

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无机铯铅卤化物钙钛矿具有非常适合串联太阳能电池的带隙,但在室温附近遭受不希望的相变。胶体量子点(CQD)是结构坚固的材料,因其尺寸可调的带隙而受到重视。然而,它们还需要稳定性的进一步提高,因为它们由于不完全的表面钝化而易于在高温下聚集和表面氧化。近日,多伦多大学Edward H. Sargent教授研究团队报道了“晶格锚定”杂化材料,其将铯铅卤化物钙钛矿与铅硫属元素化物CQD结合,这两种材料之间的晶格匹配有助于稳定性超过组分的稳定性。研究发现CQD使钙钛矿保持在其所需的立方相中,从而抑制向不希望的晶格失配相的转变。与原始钙钛矿相比,CQD锚固钙钛矿在空气中的稳定性提高了一个数量级,并且材料在环境条件(25摄氏度和约30%湿度)下保持稳定超过六个月且超过五个小时在200摄氏度。与CQD对照相比,钙钛矿防止CQD表面的氧化并且在100摄氏度下将纳米颗粒的聚集减少了五倍。对于在红外波长发射的CQD固体,基质保护的CQD显示出30%的光致发光量子效率。晶格锚定的CQD:钙钛矿固体表现出电荷载流子迁移率加倍,这是由于与纯CQD固体相比载流子跳跃的能垒减小。这些益处在溶液处理的光电器件中具有潜在用途。


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Liu, M. Sargent, E. H. Lattice anchoring stabilizes solution-processed semiconductors. Nature 2019.

DOI:10.1038/s41586-019-1239-7

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1239-7

 

4. 超快全相干自旋切换的时间和光谱指纹丨Nature

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未来的信息技术需要更快,低损耗的量子控制。强烈的光场促进了这种方式的里程碑,包括诱导新的物质状态,电子的弹道加速以及谷赝自旋的相干翻转。这些动态留下了独特的“指纹”,例如特征带隙或高次谐波辐射。切换技术上最重要的量子属性的最快和最耗散的方式 - 由势垒隔开的两个状态之间的自旋是触发全连贯的进动。皮秒电场和磁场的实验和理论研究表明了这种可能性,但观察到实际的自旋动力学仍然遥不可及。近日,雷根斯堡大学C. Lange联合拉德堡德大学R. V.Mikhaylovskiy研究团队展示了太赫兹电磁脉冲允许在势垒上旋转的相干转向,并报道相应的时间和光谱指纹。该目标通过将反铁磁性TmFeO3(thofium orthoferrite)中的自旋耦合到定制天线的局部增强的太赫兹电场来实现。在一皮秒的持续时间内,强烈的太赫兹脉冲突然改变磁各向异性并触发大幅度的弹道自旋运动。与数值模拟一致,特征相位翻转,集体自旋共振的不对称分裂和法拉第信号的长寿命偏移是相干自旋切换到相邻电位最小值的标志。低功耗和天线的亚波长空间定义可以促进以太赫兹速率工作的可扩展自旋设备。

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Schlauderer,S. Lange, C. Mikhaylovskiy, R. V. et al. Temporal and spectralfingerprints of ultrafast all-coherent spin switching. Nature 2019.

DOI:10.1038/s41586-019-1174-7

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1174-7

 

5. 卤素嵌入-转化化学助力高比能水溶液锂离子电池丨Nature

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 “water in salt”电解质的使用成功地将水溶液锂离子电池的电化学稳定窗口扩宽至3-4V,这使得高压正极和石墨等低电位负极的匹配能够实现。然而,传统的过渡金属氧化物的嵌锂容量有限,这严重限制了水溶液锂离子电池能量密度的提升。研究发现,阴离子盐氧化还原反应能够显著提升电池容量,但是会在一定程度上牺牲电池的可逆性。在本文中,马里兰大学的王春生教授团队发现在石墨负极中引入卤素嵌入-转化反应能够使复合电极在4.2V的平均工作电压下实现高达243mAh/g的容量。实验表征和理论模拟将这一高比容量归因于在”water inbisalt”电解质中可逆形成的一级紧密堆积型C3.5[Br0.5Cl0.5]插层化合物。他们将此复合石墨负极与高压正极匹配组装了能量密度高达400Wh/kg的水溶液全电池,其库伦效率高达100%。


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Chongyin Yang, Chunsheng Wang etal, Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion–intercalation chemistry in graphite, Nature,2019

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1175-6

 
6. Mott纳米器件的亚阈值导通丨Nature

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在各类电阻开关中,阈值触发是最有前途的一种,因为它可以实现人工脉冲神经元。阈值触发在具有绝缘体-金属相变特性的Mott绝缘体中被观察到,可以通过施加外部电压触发:如果超过阈值电压,材料就会导通(“firing”)。之前的研究对这种诱导转变的动力学进行了深入的研究,并对其机理和特征时间进行了详细的描述。相比之下,对此过程的反方向转变却知之甚少:即在电压被移除后,系统恢复到绝缘状态的过程。有鉴于此,加州大学圣地亚哥分校Javierdel Valle团队发现,Mott纳米器件在绝缘电阻恢复后长时间内仍保留着之前电阻开关事件的记忆。研究证明,虽然器件在50到150 ns内恢复到绝缘状态,但可以通过较长时间(最多几毫秒)的亚阈值电压重新触发绝缘体到金属的转变。作者发现一阶相变的固有介稳性是这一现象的起源,因此该现象可能存在于所有Mott系统中。总之,这种效应在Mott基器件中构成了一种新型的易失性存储器,在电阻存储器、固态鉴频器和神经形态电路中具有潜在的应用前景。


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Javier del Valle, Pavel Salev, FedericoTesler, Nicolás M.Vargas, Yoav Kalcheim, Paul Wang, Juan Trastoy, Min-Han Lee, George Kassabian,Juan Gabriel Ramírez, Marcelo J. Rozenberg & IvanK. Schuller. Subthreshold firing in Mott nanodevices. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1159-6

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1159-6


7. 组合方法开发高玻璃化转变温度的大块金属玻璃丨Nature

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自1960年被发现以来,基于多种元素的金属玻璃得到了发展。然而,对玻璃形成成分的理论预测是具有挑战性的,迄今为止,具有特定性质的合金的发现在很大程度上是反复试验的结果。大块金属玻璃的强度和弹性优于传统的结构合金,但其力学性能与玻璃化转变温度密切相关。当温度接近玻璃化转变时,大块金属玻璃发生塑性流动,导致准静态强度大幅度下降。目前,玻璃化转变温度超过1000 K的大块金属玻璃已经开发出来,但是其过冷温度区间(玻璃化转变和结晶温度之间)很窄,导致热塑成型性很差,限制了其实际应用。

 

有鉴于此,中科院物理所柳延辉团队报道了铱/镍/钽金属玻璃(以及其他含硼玻璃)的设计,玻璃化转变温度高达1162 K,过冷温度区间达136 K,比现有的大多数金属玻璃都要宽。与现有的合金相比,所报道的Ir-Ni-Ta-(B)玻璃在高温下表现出高强度:在1000 K下为3.7 GPa。该玻璃的临界铸造厚度为3 mm,这表明在高温或恶劣环境下应用的小型部件可以很容易地通过热塑性成型获得。方法上,作者基于先前报道的玻璃形成能力和电阻率之间的相关性采用了一种简化的组合方法。这种方法是非破坏性的,允许在同一批样品上进行一系列物理特性的后续测试。总之,高强度、高玻璃转变温度的大块金属玻璃的确定证实了作者所提出的设计和发现方法具有实用性,也预示着能够发现其他具有高性能的玻璃态合金。


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Ming-XingLi, Shao-Fan Zhao, Zhen Lu, Akihiko Hirata, Ping Wen, Hai-Yang Bai, MingWeiChen, Jan Schroers, YanHui Liu & Wei-Hua Wang. High-temperature bulkmetallic glasses developed by combinatorial methods. Nature, 2019.

DOI:10.1038/s41586-019-1145-z

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1145-z#article-info


8. 观测一维Wigner晶体丨Science

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电子之间总是倾向于互相排斥。但当被限制在一个小空间时,电子可以形成有序的晶体状态,称为Wigner晶体。观察Wigner晶体非常棘手,需要在极端条件下进行——低温和低密度,以及微创探针。有鉴于此,以色列魏茨曼科学研究所S. Ilani团队以单根碳纳米管作为研究对象,采用另一根碳纳米管作为探针对其电子密度进行成像。结果显示,所测电子密度与理论预测的一维方向的六电子Wigner晶体是一致的。


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I.Shapir, A. Hamo, S. Pecker, C. P. Moca, Ö. Legeza, G. Zarand, S. Ilani. Imagingthe electronic Wigner crystal in one dimension. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aat0905

https://science.sciencemag.org/content/364/6443/870


9. 利用光尺测量纳米位移丨Science

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新加坡南洋理工大学Nikolay I. Zheludev团队介绍了一种用于纳米位移测量,类似于物理尺的光尺。光尺是由光在超表面上衍射产生的复杂电磁场,在这个电磁场中,可通过高分辨干涉观测出奇点,作为刻度标记。采用Pancharatnam-Berry相位超表面,作者证明了在800 nm波长下,光尺的位移分辨能力优于1 nm(λ/800,λ为光波长)。同时,作者认为,光尺有望实现~λ/ 4000(约原子尺寸)的分辨能力。最后,作者指出,尺寸只有几十微米的光尺在纳米计量、纳米监测和纳米制造领域有广泛的应用,特别是在未来智能制造工具的苛刻和受限的环境中。

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GuangHui Yuan, Nikolay I. Zheludev*. Detecting nanometric displacements with opticalruler metrology. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw7840

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/771


10. 电气化甲烷重整:一种更环保、集成的工业制氢方法丨Science

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大规模蒸汽重整制氢会直接产生CO2副产物。此外,通过燃烧化石燃料加热反应堆会进一步增加CO2的排放。目前存在的一个问题是催化剂床层加热不均匀,这使得大部分催化剂严重失效。有鉴于此,丹麦科技大学Ib Chorkendorff和丹麦托普索公司PeterM. Mortensen等人提出了一种电加热金属管反应器的方案,该方案改善了加热的均匀性和催化剂的使用。作者认为,采用这种替代方法可能使全球CO2排放量降低1%左右。


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SebastianT. Wismann, Jakob S. Engbæk, Søren B. Vendelbo, Flemming B. Bendixen, Winnie L.Eriksen, Kim Aasberg-Petersen, Cathrine Frandsen, Ib Chorkendorff*, Peter M.Mortensen*. Electrified methane reforming: A compact approach to greenerindustrial hydrogen production. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw8775

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/756


 11. 协同催化环氧化物加氢反应制备反马氏醇丨Science


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环氧化合物的开环通常需要亲电试剂活化,随后亲核(SN2)试剂攻击取代较少的碳,形成具有马氏选择性的醇。有鉴于此,美国哥伦比亚大学Jack Norton团队和德国波恩大学AndreasGansäuer团队介绍了一种将茂钛化合物催化环氧化物开环与铬配合物催化氢活化、自由基还原相结合的协同催化制反马氏醇的方法。茂钛化合物通过形成高取代基来增强反马氏选择性。铬催化剂依次从氢分子转移一个氢原子、质子和电子,避免了氢化物转移到不需要的位置,从而实现了100%的原子经济性。

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Chengbo Yao, Tobias Dahmen, AndreasGansäuer, Jack Norton. Anti-Markovnikov alcohols via epoxide hydrogenationthrough cooperative catalysis. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aaw3913

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/764


12. 用更简单的合金提高可持续性丨Science综述

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在青铜时代早期(公元前约4000年),锡和铅合金化来硬化铜是通过定制组合物改善材料性能的最早记录的例子之一。如今,从喷气发动机到计算机芯片等许多高性能应用,都有可能包含几乎任何元素的合金。然而,增加合金材料中的组分数量使得其生产和再循环更加困难,并且存在稀缺或稀有元素资源耗尽的风险。有鉴于此,金属所的卢柯院士和Xiuyan Li团队阐述了基于合金化的策略的可持续性是许多材料系统的问题的关键之一。重点是减少合金化,特别是替代材料中的有毒和稀有元素。


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Li,X. & Lu, K. Improving sustainability with simpler alloys. Science 364, 733.

Doi:10.1126/science.aaw9905(2019).

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/733


13. 木头大王再出手!辐射冷却结构材料丨Science

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减少人类对低能耗冷却方法(如空调)的依赖将对全球能源格局产生巨大影响。通过完全脱木素和木材致密化的过程,马里兰大学胡良兵和科罗拉多大学波尔得分校Xiaobo Yin团队开发出一种机械强度为404.3兆帕斯卡的结构材料,是天然木材的8倍以上。改工程材料中的纤维素纳米纤维反向散射太阳辐射,并在中红外波长发射强,使得白天和夜晚持续低温冷却。研究人员还模拟了冷却木材的潜在影响,并发现节能20%至60%,这在炎热和干燥的气候中最为明显。


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Li,T., Zhai, Y. et al. A radiative cooling structural material. Science 364, 760,Doi:10.1126/science.aau9101 (2019).

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/760


14. 从头设计构象随pH变化的蛋白质丨Science

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在蛋白质设计方面,目前已成功找到对应于稳定目标结构的折叠序列。然而,就蛋白质的功能而言,往往需要涉及构象动力学。有鉴于此,华盛顿大学David Baker团队从头设计了构象随pH变化的蛋白质。具体而言,他们设计了螺旋寡聚体,其中组氨酸位于界面上的氢键网络中,网络周围有疏水层。降低pH值会使组氨酸质子化,进一步破坏螺旋寡聚体。实验结果显示,经胞吞作用进入细胞内低pH区域后,所设计的蛋白质破坏了内吞体膜。


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ScottE. Boyken, Mark A. Benhaim, Florian Busch, Mengxuan Jia, Matthew J. Bick,Heejun Choi, Jason C. Klima, Zibo Chen, Carl Walkey, Alexander Mileant,Aniruddha Sahasrabuddhe, Kathy Y. Wei, Edgar A. Hodge, Sarah Byron, AlfredoQuijano-Rubio, Banumathi Sankaran, Neil P. King, Jennifer Lippincott-Schwartz,Vicki H. Wysocki, Kelly K. Lee, David Baker. De novo design of tunable, pH-drivenconformational changes. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aav7897

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/658


15. 利用有源超表面的时空光控丨Science综述

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在探索如何操纵光的过程中,光学超表面开辟了一个全新的领域。光学超表面可以局部地改变传播波的振幅、相位和偏振。到目前为止,这些超表面大多是无源的,光学性质在很大程度上取决于制造过程。斯坦福大学Mark L. Brongersma团队回顾了时变超表面的最新研究进展,并探讨了增加动态控制对于有源控制光传播的作用。


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AmrM. Shaltout, Vladimir M. Shalaev, Mark L. Brongersma. Spatiotemporal lightcontrol with active metasurfaces. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aat3100

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/eaat3100


16. 键长的极限丨Science

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在Rydberg态下,原子几乎电离了,但不是完全电离。这使得电子离原子核相对较远,因此处于这种状态的两个原子可以形成相当长的键。马克斯·普朗克量子光学研究所Jun Rui团队通过激发沿光学晶格对角线的超冷铷原子对,详细观察了这一现象。作者用光谱法分析了分子的振动态结构,结果表明,Rydberg巨型分子的键长超过700 nm。 


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SimonHollerith, Johannes Zeiher, Jun Rui, Antonio Rubio-Abadal, Valentin Walther,Thomas Pohl, Dan M. Stamper-Kurn, Immanuel Bloch, Christian Gross. Quantum gasmicroscopy of Rydberg macrodimers. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw4150

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/664


17. 利用磁性单分子传感器探测和成像自旋相互作用丨Science

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通过在探针尖端吸附CO等分子,可以大幅提高扫描探针显微技术的分辨率。加州大学尔湾分校RuqianWu和W. Ho团队证明,这种方法可以用来扫描表面分子的自旋属性和磁性质。研究者首先将磁性分子[双(环戊二烯)镍(II)]吸附在银表面,然后将其中一个分子转移到扫描隧道显微镜的探针尖端。随后,研究者把尖端朝向被吸附物覆盖的表面,并绘制出超交换作用的强度。


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GregoryCzap, Peter J. Wagner, Feng Xue, Lei Gu, Jie Li, Jiang Yao, Ruqian Wu, W. Ho.Probing and imaging spin interactions with a magnetic single-molecule sensor.Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw7505

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/670


18. 构象灵活的葡萄糖单体使合成最小的环糊精成为可能丨Science

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环糊精(CDs)是α-1,4-D-吡喃葡萄糖苷的环状低聚物,其中六聚体至八聚体较为常见。CDs的中空腔可以保留小分子,从而实现不同的应用。最小的环糊精CD3和CD4的环尺寸太小,无法形成最稳定的吡喃葡萄糖构象,也尚未成功合成。有鉴于此,日本关西学院大学Hidetoshi Yamada课题组提出了化学合成CD3和CD4的方法。合成成功的主要因素是创造了一个平伏型(equatorial)和直立型(axial)构象相互平衡的吡喃葡萄糖环。这种构象灵活性归因于在葡萄糖的O-3和O-6之间引入的桥环,它使合成环状三聚体和四聚体时产生所需构象。


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DaikiIkuta, Yasuaki Hirata, Shinnosuke Wakamori, Hiroaki Shimada, Yusuke Tomabechi*,Yuri Kawasaki, Kazutada Ikeuchi†, Takara Hagimori, Shintaro Matsumoto, Hidetoshi Yamada‡. Conformationally supple glucose monomers enable synthesis of thesmallest cyclodextrins. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw3053

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/674

 
19. 加氢烯基化实现C(sp3)–C(sp2)键的断裂丨Science

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植物能产生大量结构复杂的萜类化合物,这类物质是药物和其他精细化学品的有用前体。然而,这些化合物的碳骨架结构限制了其多样化应用。加州大学洛杉矶分校Ohyun Kwon团队证明,通过臭氧、铁氧化剂和氢原子供体的连续处理,可以清洁地从萜类物质和相关化合物中分离出侧链烯烃。这种方法通过打破饱和碳中心和双键碳中心之间的成键,在现有廉价前体基础上,直接获得了理想的手性中间体。


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AndrewJ. Smaligo, Manisha Swain, Jason C. Quintana, Mikayla F. Tan, Danielle A. Kim,Ohyun Kwon*. Hydrodealkenylative C(sp3)–C(sp2) bondfragmentation. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw4212

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/681


20. 电子衍射确定药物纳米晶体中的分子绝对构型丨Science

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确定有机分子的绝对构型对于药物开发和随后的批准过程至关重要。捷克科学院物理学院Petr Brázda团队通过电子衍射可以对纳米晶材料进行这种测定。迄今为止,通过电子衍射进行的从头算结构测定仅限于在每平方埃或更大的一个电子剂量后保持其结晶度的化合物。研究人员提出了索非布韦(sofosbuvir)和l-脯氨酸的药物共晶的完整结构分析,其稳定性约为一个数量级。晶体多个位置的数据采集和高级强度提取程序使我们能够从头开始解决结构问题。进一步研究表明,动态衍射效应足够强,可以明确地确定由光散射体组成的材料的绝对结构。


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Brázda, P., Palatinus, L. & Babor, M. Electron diffractiondetermines molecular absolute configuration in a pharmaceutical nanocrystal.Science 364, 667, 2019.

Doi:10.1126/science.aaw2560.

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/667

 

21. 位点选择性酶促C-H酰胺化,合成多种内酰胺丨Science

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酶的特异性强是因为它们的活性位点受到限制。在适当的进化压力下,它们可以用来区分相似的底物或区分同一底物上的不同位置。加州理工学院Frances H. Arnold(2018诺贝尔化学奖得主,女科学家)团队利用定向进化技术产生了细胞色素P450变异体,这些变异体靶向底物中不同的C-H键,形成大小不一的内酰胺环。这种酶将酰胺化作用导向所需的位置,同时防止其他副反应。


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InhaCho, Zhi-Jun Jia, Frances H. Arnold. Site-selective enzymatic CH amidation for synthesis of diverselactams. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw9068

https://science.sciencemag.org/content/364/6440/575


22. 颗粒状甲烷单加氧酶——只存在单核Cu活性中心丨Science

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甲烷是一种重要的燃料,但很少有反应能将其直接转化为部分氧化产物。细菌利用金属酶催化甲烷氧化成甲醇的反应则具有工业价值。了解这种反应的金属位点可能会激发新的仿生催化剂。美国西北大学Amy C. Rosenzweig和Brian M. Hoffman团队利用光谱测试手段,在颗粒状甲烷单加氧酶中确定了两个单铜活性位点。这些结果在一定程度上不同于以往关于金属位点位置和核数的研究结果,并将促使人们重新思考这种金属酶如何催化甲烷氧化。

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MatthewO. Ross, Fraser MacMillan, Jingzhou Wang, Alex Nisthal, Thomas J. Lawton, BarryD. Olafson, Stephen L. Mayo, Amy C. Rosenzweig, Brian M. Hoffman. Particulatemethane monooxygenase contains only mononuclear copper centers. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aav2572

https://science.sciencemag.org/content/364/6440/566


23. 可见光氧化还原催化——铜的兴起丨Science

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可见光氧化还原催化为过渡金属热催化提供了一种绝好的补充。绝大多数光氧化还原过程利用的是贵金属钌(II)或铱(III)配合物,它们在光激发态时作为单电子还原剂或氧化剂。作为一种低成本的替代品,有机染料也经常被使用,但总的来说光稳定性较差。德国雷根斯堡大学Oliver Reiser团队综述了近年来铜配合物作为以上光氧化还原催化剂替代品的应用进展。作者认为,铜基光催化剂正在迅速兴起,不仅具有经济和生态优势,而且具有其他体系少有的内配位界传递机理,而这种机制已成功地应用于具有挑战性的转化反应。此外,传统的光催化剂与铜(I)或铜(II)盐的结合已成为一种用于交叉耦合反应的高效双催化体系。


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AsikHossain, Aditya Bhattacharyya, Oliver Reiser. Copper’s rapid ascent invisible-light photoredox catalysis. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aav9713

https://science.sciencemag.org/content/364/6439/eaav9713

 

24. Marcus反转区的质子-电子协同转移反应丨Science

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电子转移动力学最违反直觉的特征之一是反转区。正如Marcus理论预测和实验证明的那样,一旦驱动力变得特别有利,电子转移就会减慢。美国耶鲁大学James M. Mayer团队SharonHammes-Schiffer团队和瑞典乌普萨拉大学LeifHammarström团队为质子耦合电子转移(PCET)中的这种反转行为提供了证据。具体来说,他们研究了一系列蒽(电子受体)-酚-吡啶(质子受体)化合物。时间分辨光谱学和相关理论表明,在光诱导分子内质子和电子转移后的逆反应中,若驱动力较高,则反应速率较慢。


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GiovannyA. Parada, Zachary K. Goldsmith, Scott Kolmar, Belinda Pettersson Rimgard,Brandon Q. Mercado, Leif Hammarström, Sharon Hammes-Schiffer, James M. Mayer.Concerted proton-electron transfer reactions in the Marcus inverted region.Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw4675

https://science.sciencemag.org/content/364/6439/471

 
25. 单层半导体中所有非辐射复合途径的电抑制丨Science

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传统半导体中的缺陷大大降低了光致发光(PL)量子产率(QY),这是光电性能的关键指标,直接决定了器件的最大效率。二维过渡金属二硫族化物(TMDC),例如单层MoS2,对于经处理的样品通常表现出低PLQY,这通常归因于大的天然缺陷密度。加州大学伯克利分校的Ali Javey团队研究表明,当通过静电掺杂制成固有的MoS2和WS2单层时,而且没有任何化学钝化,其PLQY接近100%。令人惊讶的是,即使在高天然缺陷密度的存在下,中性激子复合也是完全辐射的。 这一发现使得TMDC单层膜可用于光电器件应用,因为可以减轻对低缺陷密度的严格要求。


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Lien,D.-H., Uddin, S. Z. et al. Electrical suppression of all nonradiativerecombination pathways in monolayer semiconductors. Science 364, 468,

Doi:10.1126/science.aaw8053.

https://science.sciencemag.org/content/364/6439/468

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