Science论文精选 具有原子级厚度的二维有机无机杂化钙钛矿
更新日期：2015-10-081. 具有原子级厚度的二维有机-无机杂化钙钛矿材料
近十几年来，有机-无机混合钙钛矿通过溶液工艺被加工成薄膜或块状晶体，但通过各种手段将这种混合材料分离为单独的二维薄层却鲜有突破。
目前美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的杨培东研究团队成功制备出了原子级二维结构的有机-无机混合钙钛矿薄层。这种超薄层材料质量高、面积大，并呈方形，它们还展现出了高效的光致发光性、颜色可调性，以及独特的结构弛豫现象，该现象在共价半导体薄层结构中尚未发现。相关研究成果9月25日发表在 《科学》杂志上（Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aac7660）。
图来源：劳伦斯伯克利国家实验室
该研究团队采用溶液法直接合成单层和多层单晶 2D 杂化 (C4H9NH3)2PbBr4 钙钛矿材料，并利用常规的TEM、拉曼光谱等方法对其结构进行表征，发现了其他二维材料中未曾观察到的结构弛豫现象；通过光致发光光谱(PL)、阴极发光显微术等技术对其光学性质进行了表征，发现了轻微的带边发射偏移（shifted band edge emission），这意味着可以通过改变薄层厚度和组分来调整发光颜色。研究人员表示，他们的技术还能实现纵向和横向的异质结构。
研究人员称，这是首次使用离子材料制备出二维原子级纳米结构。这一成果不仅为二维半导体家族引入了新的成员，也为原子级二维混合钙钛矿的合成与表征研究提供了机遇。
（摘自 中科院武汉文献情报中心《先进制造与新材料动态监测快报》，译者：姜山）
相关阅读：物理学家组织网报道（英文）
2. 点“铁”成“铂金”：《Science》报道交叉偶联反应的低价高效新催化剂
贵金属催化一直是有机合成中构建碳碳键、碳氢键以及碳杂原子键的主要方法。钯（Pd）催化是其中的中流砥柱，特别是钯催化的Suzuki-Miyaura、Heck、Negishi反应，这些贡献获得了2010年的诺贝尔奖。不过，贵金属催化剂的成本高，因此，那些能代替贵金属的“可持续”的催化方案越来越受到研究人员的关注。
加州大学圣巴巴拉分校的Bruce H. Lipshutz研究小组以廉价的FeCl3和ppm级（百万分之一）的Pd作为催化剂，只需一步，就能充分催化Suzuki-Miyaura偶联反应形成碳碳键。其中，加入的表面活性剂使得反应可以在水中进行；纳米胶束既能溶解反应底物，又能将它们传递到“Fe-ppm Pd”催化体系中，导致碳碳键的形成。这种新的催化剂可以在室温下进行分离和储存，而含有表面活性剂和催化剂的含水反应混合物还可以回收利用。该方法预示着在医药和农药的领域中，能够大大地减少钯的使用量。该研究成果发表于9月4日的《科学》杂志上（Science, 2015, 349(6252), 1087, DOI: 10.1126/science.aac6936）。
Fe-ppm Pd催化的Suzuki-Miyaura偶联反应配体为Sphos时收率最高
这种改良的偶联反应包括四个核心条件：铁盐的存在；ppm级的Pd；Fe与Pd转化成纳米粒子；以及使用水性胶束条件进行催化反应。
该反应对多种底物都有良好的适应性，反应条件温和，并具有较高的收率。其中，底物包括各种芳族和杂芳族化合物，甚至包括芳基卤化物或芳基硼衍生物。
（来源：http://www.x-mol.com/news/985）
3. 《Science》报道环加成反应催化剂重要进展
烯烃环加成反应在有机合成中非常常见，著名的Diels-Alder [4π+2π]环加成反应就是由二烯（4π）和烯烃（2π）在热条件下形成六元环。然而，另一种看似更简单的[2π+2π]烯烃环加成形成环丁烷环的反应，就没这么容易了。由于轨道对称性的限制，这种反应往往需要光化学反应条件来激活，但这种反应途径往往效率低、特异性差，尤其是当所需光源的波长在紫外区域时。通过加热进行的[2+2]环加成比较少见，局限于一些特殊的烯烃原料，适用范围很窄。
最近《科学》杂志刊登了来自美国普林斯顿大学的Paul J. Chirik实验室的文章（Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aac7440），报告了一种利用铁催化剂在温和的加热条件下将简单的原料烯烃转化成环丁烷结构的新方法。
这种新方法为在加热条件下进行这个表面上看似简单而实际上非常具有挑战性的［2+2］反应带来了前所未有的适用范围。这种方法成功的关键是使用了基于一组结构可调的二亚胺吡啶（PDI）配体的铁催化剂。这些配体结合到金属上后，不仅能够控制此反应中心的立体环境，还能够通过π框架调节金属本身的氧化态。
在实验中，使用5 mol%的此类催化剂，该团队能够在室温下使一系列的末端烯烃发生二聚化反应。商品烯烃如丙烯可以有选择性地转化为1,2-反式取代的环丁烷，其机理可能与金属杂环中间体有关。值得注意的是，几乎所有用这种方法产生的环丁烷结构化合物，在之前都无法直接通过烯烃的［2+2］环加成反应制备。
该期刊同期还配发了另一个合成大牛Phil S. Baran撰写的题为“As simple as [2+2]”的评论文章（Science, 2015, 349, 925）。
（来源：http://www.x-mol.com/news/946）
4. 黑磷的带隙提供了比石墨烯更大的优势
最近，来自韩国浦项工科大学（POSTECH）的Keun Su Kim研究团队通过调节黑磷的带隙，有效地将这种半导体材料改变成具有各向异性分散的独特状态，从而变成优秀的导体。具有这种独特性质并可进行大规模生产的黑磷，使得电子器件和光电子器件的设计和优化有了更大的灵活性。该项研究成果发表于近期的《科学》杂志（Science, 2015 DOI: 10.1126/science.aaa6486）。
黑磷是磷烯（phosphorene）的堆叠，自然状态下具有带隙。POSTECH的研究团队通过利用原位表面掺杂技术将钾掺杂入黑磷，发现钾掺杂的黑磷具有广泛可调的带隙。通过带结构的测量和计算，研究人员发现，由于斯塔克效应，掺杂剂钾形成的垂直电场调节了黑磷的带隙，使其从中等带隙半导体转变成能带反转半金属。
作者认为，这种改进的黑磷，性能优异且易于大规模制备，其应用潜力惊人，在“未来材料”的竞争路上有可能超越风头正盛的石墨烯。
（摘自 http://www.x-mol.com/news/880）
5. 专家首次揭示病毒内部三维结构
自人类对疾病的认识进入后基因组时代以来，科学家一直试图对病毒的内部三维结构进行测定，这一工作近日被两位中国科学家完成。相关成果9月18日在线发表于《科学》（Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa4938）。
湖南师范大学物理与信息科学学院、量子效应及其应用协同创新中心教授刘红荣与清华大学生命科学学院副研究员程凌鹏合作，提出了一种基于二维电子显微图像重构对称失配生物大分子三维结构的新方法，使对病毒的观察视角第一次从“衣壳”真正深入到了内部，并首次揭示了病毒内部基因组及其聚合酶的三维结构，否定了过去认为该类型病毒的内部基因组应呈线轴状排列的主流观点。
研究团队提出一种基于二维电子显微图像解析对称失配生物大分子三维结构的新方法，可将具有不同对称性的信息很好地从信噪比极低的电子显微图像中分离出来，并精确地测定其几何关系。运用该方法，他们对一种源自昆虫的双链RNA病毒内部的基因组及其RNA聚合酶的三维结构进行了解析，发现该病毒的内部结构呈现出一种“多层球状”。同时，他们也解析了在基因组转录状态下，病毒内部RNA与其聚合酶之间相互作用的精细构象变化。在此基础上，研究人员还成功构建出了双链RNA病毒在复制和转录过程中内部RNA及其聚合酶的协同工作模型。
（来源：中国科学报）
6. 低纬度、室温下出现的铁电现象（Emergence of room-temperature ferroelectricity at reduced dimensions）
Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa6442
铁电薄膜常用于计算机或医疗器械中。不过，传统的铁电材料随着薄膜厚度的减小，其极性也越来越小。在低维度下提升铁电材料的功能性对于开发纳米级电子器件是非常重要的。来自美国内布拉斯加大学林肯分校、威斯康星大学麦迪逊分校等机构的物理学家联合小组在纳米钛酸锶（SrTiO3）薄层中发现了稳定的铁电性。他们对SrTiO3进行了研究，他们发现在体结构下，这种材料不具备铁电性质，而在极薄的薄膜状态下，SrTiO3自发形成纳米尺度的极性区域，产生了铁电性。这一发现打破了传统对铁电材料性能的认知，并有利于未来开发用于电子器件的纳米级的铁电材料。
7. 双酶体系将乙醇转化为胺类（Conversion of alcohols to enantiopure amines through dual-enzyme hydrogen-borrowing cascades）
Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aac9283
酶可以在水中发挥作用，并且相对来说毒性较小。因此，在有机合成中使用酶的一个重要优势就是它可以在环境友好的条件下进行反应。英国曼切斯特大学化学学院的Francesco G. Mutti、Nicholas J. Turner等人报道了一种双酶体系—乙醇脱氢酶和胺基脱氢酶，二者逐级反应可以将乙醇转化成胺类。反应可以将一系列不同结构的芳香醇和脂肪醇转化为胺类，产率可达96% 以上，且旋光异构体过量率为99%。作者称这一逐级反应体系具有极高的原子效率，并且无有害的副产物生成（副产物只有水）。（更多阅读：http://www.x-mol.com/news/1077）
8. 低温、高效、易加工的质子型陶瓷燃料电池（Readily processed protonic ceramic fuel cells with high performance at low temperatures）
Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aab3987
质子型燃料电池（PCFCs）因具有比氧化物燃料电池更低的活化能和质子传导速度，因而可以在更低的温度下运行(250°-550 ℃vs ≥600 ℃)。美国科罗拉多矿业大学的Chuancheng Duan等人开发了一种新型的阴极材料BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-d (BCFZY0.1)，可以在较低的温度下大幅提高氧化还原速率。他们制备了5种不同的PCFC，均表现出极佳的效率，同时在运行1400小时后效率不会衰减。
9. 高导热、高机械强度的石墨烯纤维（Highly thermally conductive and mechanically strong graphene fibers）
Science, 2015, DOI: 10.1126 / science.aaa 6502
石墨烯常被看作是舒展开的碳纳米管。不过，尽管碳纳米管具有十分优异的机械和传导特性，但是石墨烯纤维却不具备该特性。Guoqing Xin等人将小的石墨烯片段插入到大石墨烯片段卷曲形成的纤维中。经过退火处理后，大的片段提供了传导的通道，而小的片段则帮助强化纤维结构。这种石墨烯纤维展示出更强的导热导电性以及更强的机械强度。
10. 晶体管中的纳米材料：从高效到薄膜应用（Nanomaterials in transistors: From high-performance to thin-film applications）
Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aab 2750
用于显示技术的高效硅基晶体管和薄膜晶体管一直以来受限于微型化。将纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、2维二硫化钼等，作为栅极整合到晶体管中或许是克服这些限制的方法。 Franklin 就向晶体管中引入纳米材料以提高器件性能这一问题所面临的机会和挑战撰写了相关综述。由于高效晶体管与薄膜晶体管不同，将纳米材料引入到柔性或透明平台中会带来新的挑战。
11. 可见光波段下的超薄隐身斗篷（An ultrathin invisibility skin cloak for visible light）
Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aac9411
隐身斗篷可以通过将环绕于其周围的光引导开而使目标物体被隐藏。不过，目前开发出的隐身材料大多是体结构的，因此很难大规模制备隐藏大型目标。为了获得超薄、可卷曲到目标物体表面的隐身材料，Xingjie Ni等人设计开发了一种二维超材料。这种材料的厚度仅为80 nm，可以完全反射730 nm波长的可见光，被覆盖的物体可以实现隐身。作者称，这种柔性、高反射率的材料未来可实现大规模生产，用来隐藏大型目标。
12. 通过超声喷雾干燥法制备无定型的纳米粒子（Production of amorphous nanoparticles bysupersonic spray-drying with a microfluidic nebulator）
Science, 2015, DOI: 10.1126 / science.aac 9582
无定型纳米粒子常常比对应的晶体组分溶解的更快，这一优势带来很多应用，如药物的输送等。Amstad等人报道了一种方法可以将有机物和无机物通过超声喷雾干燥的方法制备成无定型的纳米颗粒。过程中溶剂蒸发的速度极快，以至于在晶核形成前，纳米可以就已经制备完成。极小的粒子尺度可以在数个月的时长内抑制晶体的形成。
（其中没注明来源的6-12条记录摘自新材料在线）