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。
ChrisA.Tulk,JamieJ.Molaison,AdamR.Makhluf,CraigE.Manning&DennisD.Klug.Absenceofamorphousformswheniceiscompressedatlowtemperature.Nature,2019.
DOI:10.1038/s41586-019-1204-5
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。
LiWang,KaihuiLiuetal,Epitaxialgrowthofa100-square-centimetresingle-crystalhexagonalboronnitridemonolayeroncopper,Nature,2019
DOI:10.1038/s41586-019-1226-z
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EdwardH.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。
Liu,M.Sargent,E.H.Latticeanchoringstabilizessolution-processedsemiconductors.Nature2019.
DOI:10.1038/s41586-019-1239-7
Schlauderer,S.Lange,C.Mikhaylovskiy,R.V.etal.Temporalandspectralfingerprintsofultrafastall-coherentspinswitching.Nature2019.
DOI:10.1038/s41586-019-1174-7
“waterinsalt”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”waterinbisalt”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%。
ChongyinYang,ChunshengWangetal,AqueousLi-ionbatteryenabledbyhalogenconversion–intercalationchemistryingraphite,Nature,2019
JavierdelValle,PavelSalev,FedericoTesler,NicolásM.Vargas,YoavKalcheim,PaulWang,JuanTrastoy,Min-HanLee,GeorgeKassabian,JuanGabrielRamírez,MarceloJ.Rozenberg&IvanK.Schuller.SubthresholdfiringinMottnanodevices.Nature,2019.
DOI:10.1038/s41586-019-1159-6
Ming-XingLi,Shao-FanZhao,ZhenLu,AkihikoHirata,PingWen,Hai-YangBai,MingWeiChen,JanSchroers,YanHuiLiu&Wei-HuaWang.High-temperaturebulkmetallicglassesdevelopedbycombinatorialmethods.Nature,2019.
DOI:10.1038/s41586-019-1145-z
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。
I.Shapir,A.Hamo,S.Pecker,C.P.Moca,.Legeza,G.Zarand,S.Ilani.ImagingtheelectronicWignercrystalinonedimension.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aat0905
新加坡南洋理工大学NikolayI.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800nm波长下，光尺的位移分辨能力优于1nm（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。
GuangHuiYuan,NikolayI.Zheludev*.Detectingnanometricdisplacementswithopticalrulermetrology.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw7840
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IbChorkendorff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。
SebastianT.Wismann,JakobS.Engbk,SrenB.Vendelbo,FlemmingB.Bendixen,WinnieL.Eriksen,KimAasberg-Petersen,CathrineFrandsen,IbChorkendorff*,PeterM.Mortensen*.Electrifiedmethanereforming:Acompactapproachtogreenerindustrialhydrogenproduction.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw8775
11.协同催化环氧化物加氢反应制备反马氏醇丨Science
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JackNorton团队和德国波恩大学AndreasGansuer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。
ChengboYao,TobiasDahmen,AndreasGansuer,JackNorton.Anti-Markovnikovalcoholsviaepoxidehydrogenationthroughcooperativecatalysis.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw3913
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XiuyanLi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。
Li,X.&Lu,K.Improvingsustainabilitywithsimpleralloys.Science364,733.
Doi:10.1126/science.aaw9905(2019).
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XiaoboYin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。
Li,T.,Zhai,Y.etal.Aradiativecoolingstructuralmaterial.Science364,760,Doi:10.1126/science.aau9101(2019).
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DavidBaker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。
ScottE.Boyken,MarkA.Benhaim,FlorianBusch,MengxuanJia,MatthewJ.Bick,HeejunChoi,JasonC.Klima,ZiboChen,CarlWalkey,AlexanderMileant,AniruddhaSahasrabuddhe,KathyY.Wei,EdgarA.Hodge,SarahByron,AlfredoQuijano-Rubio,BanumathiSankaran,NeilP.King,JenniferLippincott-Schwartz,VickiH.Wysocki,KellyK.Lee,DavidBaker.Denovodesignoftunable,pH-drivenconformationalchanges.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aav7897
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MarkL.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。
AmrM.Shaltout,VladimirM.Shalaev,MarkL.Brongersma.Spatiotemporallightcontrolwithactivemetasurfaces.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aat3100
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JunRui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700nm。
SimonHollerith,JohannesZeiher,JunRui,AntonioRubio-Abadal,ValentinWalther,ThomasPohl,DanM.Stamper-Kurn,ImmanuelBloch,ChristianGross.QuantumgasmicroscopyofRydbergmacrodimers.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw4150
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。
GregoryCzap,PeterJ.Wagner,FengXue,LeiGu,JieLi,JiangYao,RuqianWu,W.Ho.Probingandimagingspininteractionswithamagneticsingle-moleculesensor.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw7505
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HidetoshiYamada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。
DaikiIkuta,YasuakiHirata,ShinnosukeWakamori,HiroakiShimada,YusukeTomabechi*,YuriKawasaki,KazutadaIkeuchi,TakaraHagimori,ShintaroMatsumoto,HidetoshiYamada.Conformationallysuppleglucosemonomersenablesynthesisofthesmallestcyclodextrins.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw3053
AndrewJ.Smaligo,ManishaSwain,JasonC.Quintana,MikaylaF.Tan,DanielleA.Kim,OhyunKwon*.HydrodealkenylativeC(sp3)–C(sp2)bondfragmentation.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw4212
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PetrBrázda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。
Brázda,P.,Palatinus,L.&Babor,M.Electrondiffractiondeterminesmolecularabsoluteconfigurationinapharmaceuticalnanocrystal.Science364,667,2019.
Doi:10.1126/science.aaw2560.
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FrancesH.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。
InhaCho,Zhi-JunJia,FrancesH.Arnold.Site-selectiveenzymaticCHamidationforsynthesisofdiverselactams.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw9068
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AmyC.Rosenzweig和BrianM.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。
MatthewO.Ross,FraserMacMillan,JingzhouWang,AlexNisthal,ThomasJ.Lawton,BarryD.Olafson,StephenL.Mayo,AmyC.Rosenzweig,BrianM.Hoffman.Particulatemethanemonooxygenasecontainsonlymononuclearcoppercenters.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aav2572
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OliverReiser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。
AsikHossain,AdityaBhattacharyya,OliverReiser.Copper’srapidascentinvisible-lightphotoredoxcatalysis.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aav9713
GiovannyA.Parada,ZacharyK.Goldsmith,ScottKolmar,BelindaPetterssonRimgard,BrandonQ.Mercado,LeifHammarstrm,SharonHammes-Schiffer,JamesM.Mayer.Concertedproton-electrontransferreactionsintheMarcusinvertedregion.Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaw4675
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AliJavey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。
Lien,D.-H.,Uddin,S.Z.etal.Electricalsuppressionofallnonradiativerecombinationpathwaysinmonolayersemiconductors.Science364,468,