《自然》《科学》一周(9.3-9.9)材料科学前沿要闻

1. 共振稳定的烃基链式反应可以解释烟尘的开端和生长

材料名称：多环芳烃

研究团队：美国桑迪亚国家实验室 H. A. Michelsen 研究组

原标题：Resonance-stabilized hydrocarbon-radical chain reactions may

explain soot inception and growth

从气相烃类前体到陆地烟尘和星际尘埃的过渡过程有许多谜题，这些尘埃是在类似条件下形成的碳质颗粒。尽管多环芳烃（PAHs）是已知的高温碳质颗粒形成的前体，但是引发颗粒成形的分子途径仍未可知。Michelsen 等人提出了快速分子聚集的实验和理论证据，即涉及具有扩展共轭的自由基的反应途径。这些自由基与其他烃类物质反应形成共价键合的络合物，通过低势垒氢提取和氢气喷射反应再生共振稳定的自由基，促进进一步的生长和聚集。这种自由基链反应途径可能引起 PAHs 和其他烃（它们太小而不能在高温下冷凝）的共价结合簇，因此提供了通过烃化学吸附快速形成颗粒和表面生长的关键机理步骤。（Science DOI: 10.1126/science.aat3417）

2. 对单个分子飞秒激发态寿命的调节

材料名称：硅

研究团队：英国巴斯大学 P. A. Sloan 研究组

原标题：Regulating the femtosecond excited-state lifetime of a single molecule

对扫描隧道显微镜（STM）尖端电流诱导的分子反应的控制，关键在于超短中间激发离子态。激发态的初始条件由注入电流的能量和位置决定；其动力学决定了反应结果。Rusimova 等人证明了 STM 可以直接和可控地影响激发态动力学。对于 STM 诱导的甲苯分子从 Si(111)-7×7 表面的解吸，当尖端接近分子时，操作的概率下降了两个数量级。Rusimova 等人提出了激发态的双通道淬火，包括不变的表面通道和与尖端高度相关的通道，并得出结论：尖端的皮米级接近使得激发态的寿命从 10 飞秒调节到小于 0.1 飞秒。（Science DOI: 10.1126/science.aat9688）

3. 逐个原子组装的合成三维原子结构

材料名称：量子比特

研究团队：法国巴黎萨克莱大学 Daniel Barredo 研究组

原标题：Synthetic three-dimensional atomic structures assembled atom by

atom

当前量子科学和技术研究的一个巨大挑战是实现具有大量可单独控制的量子比特的人工系统，来用于量子计算和量子模拟中的应用。有许多处于探索阶段的实验平台，包括一些固态系统，例如超导电路或量子点，以及原子、分子和光学系统，例如光子，捕获离子或中性原子。后者提供固有一致的量子比特，它们与环境很好地分离，并且可以提供可扩展到数百个量子比特或更多的合成结构。量子气体显微镜能够实现数百个原子的二维规则晶格，并且已有在一维和二维中可用的可单独控制大约 50 微带（或“光镊”）的大型满载阵列。最终需要在保持单原子控制的同时访问第三维，既可以扩展到大数，也可以扩展适合量子模拟的模型范围。Barredo 等人报导了包含多达 72 个单原子的无缺陷、任意形状的三维阵列的组装。使用全息方法和快速、可编程的移动镊子将最初的无序阵列排列（逐个原子逐层）成几乎任何几何体的目标结构。这些结果展示了在空间中任意排列的数十个量子比特的量子模拟的前景，并且表明了使用当前技术要实现数百个单独控制的量子比特的实现系统几乎触手可及。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0450-2）

4. 通过配体诱导选择活化渗透制备得到的沸石咪唑酯骨架膜

材料名称：沸石咪唑酯骨架（ZIF）膜

研究团队：美国明尼苏达大学 Michael Tsapatsis 研究组

原标题：Zeolitic imidazolate framework membranes made by ligand-induced permselectivation

沸石咪唑酯骨架（ZIF）膜正在成为一种很有前景的节能分离技术。但它的可靠和可扩展制造仍然是一项挑战。Ma 等人通过基于多孔载体中 ZnO 原子层沉积（ALD）然后再配体-蒸汽处理的全气相处理方法演示了 ZIF 纳米复合膜的制造。在 ALD 之后，所获得的纳米复合材料表现出低通量并且不具有选择性，而在配体-蒸汽（2-甲基咪唑）处理之后，其部分转化为 ZIF 并且表现出稳定的性能，即具有丙烯/丙烷的高混合物分离系数（能量密集型高容量分离）和高丙烯通量。通过配体诱导的非选择性和不可渗透沉积物的渗透分离的膜合成，显示出简单且高度可再现性，具有可扩展性的前景。（Science DOI: 10.1126/science.aat4123）

5. 对电场计算优化可以实现更好的催化设计

材料名称：高效催化剂

研究团队：美国劳伦斯伯克利国家实验室 Teresa Head-Gordon 研究组

原标题：Computational optimization of electric fields for better catalysis design

虽然人们已经认识到了长程电场在催化中起到的无处不在的作用，但仍很少有将它用作探索新催化材料的主要设计参数。Welborn 等人演示了如何使用电场来计算优化合成酶的生物催化性能，以及如何将它们用作一系列均相和非均相催化剂的催化设计的统一描述符。虽然注重静电环境效应有可能为高效催化剂的合理优化开辟出新的途径，但是当在复杂催化体系的反应中心使用电场校准时，理论方法需要更高的预测能力（从而具有实验相关性）才能在其计算设计中产生变革性影响。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0109-2）

6. 对 FeSe 的洪德金属态中轨道选择性准粒子的成像

材料名称：FeSe

研究团队：美国康奈尔大学J. C. Séamus Davis研究组

原标题：Imaging orbital-selective quasiparticles in the Hund's metal state of FeSe

莫特绝缘体母相中出现的强电子相关性是铜基高温超导性的关键。相比之下，铁基高温超导体的母相绝不是相关的绝缘体。但这种区别可能具有欺骗性，因为铁有五个活跃的 d 轨道，而铜只有一个。理论上，这种轨道多重性可以产生洪德金属态，其中铁自旋的排列抑制了轨道间的波动，产生了轨道上选择性的强相关性。然后，与不同的铁轨道 m 相关的准粒子的光谱权重 Z m应该是完全不同的。Kostin 等人利用由轨道情况解析出的准粒子散射干涉来探索 FeSe 中的这些预测。在能量范围很宽的所有可检测带上都出现了准粒子 Z m的强、轨道选择性差异的特征。此外，准粒子干涉振幅显示Z xy

7. 通过 Z 字形碳纳米管的选择性芳基官能化发射窄带单光子

材料名称：碳纳米管

研究团队：美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 Sergei Tretiak 和 Stephen K. Doorn 研究组

原标题：Narrow-band single-photon emission through selective aryl functionalization of zigzag carbon nanotubes

通过共价官能化将 sp3缺陷引入单壁碳纳米管可以产生新的发光状态，从而显着扩展其光学功能。这可能会为电信波长的增强成像、光子上转换和室温单光子发射开辟道路。但利用这种潜力的一个重大挑战是，名义上简单的纳米管官能化反应化学引入了广泛多样的发光状态。要想精确地限定窄带发射能量需要约束这些状态，这需要在纳米管表面上的分子结合配置中具有极高的选择性。Saha 等人研究表明，这种选择性可以通过所谓的“Z字形”纳米管结构的芳基官能化来获得，从而实现发射带宽的三倍缩小。结合密度泛函理论建模表明，由于相关的结构对称性，使缺陷态变得简并，从而将发射能量限制在了单个窄带。Saha 等人表明，这种特性只能归因于对纳米管晶格上芳基的邻位结合构型的主要选择性。（Nature Chemistry DOI: 10.1038/s41557-018-0126-4）

8. 通过在 KTaO3颗粒的边缘上生长的 Ta3N5纳米棒单晶实现完全水分解

材料名称：Ta3N5纳米棒

研究团队：日本东京大学 Kazunari Domen 研究组

原标题：Overall water splitting by Ta3N5 nanorod single crystals grown on

the edges of KTaO3 particles

颗粒状光催化剂上一步激发的完全水分解是实现可伸缩太阳能-氢能转换的简单方法，但是在可见光下缺乏具有显着活性的光催化剂。虽然 Ta3N5光催化剂具有优异的可见光吸收，但由于缺陷处的强电荷复合，还未能实现整体水分解。Wang 等人展示了Ta3N5纳米棒在晶格匹配的立方 KTaO3颗粒上通过短暂的氮化过程中钾形态的挥发而快速生长。在 KTaO3边缘选择性产生的 Ta3N5纳米棒在空间上是分开的，并且是明确定义的没有晶界的单晶。当与 Rh/Cr2O3助催化剂结合时，单晶 Ta3N5纳米棒能够在可见光和模拟太阳光下非常高效地将水分解成氢和氧。这一研究结果证明了纳米结构单晶光催化剂在太阳能水分解中没有结构缺陷的重要性。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0134-1）