《自然》《科学》一周（1.29-2.4）材料科学前沿要闻

1. 利用光氧化还原催化产生碳炔等价物

（Generating carbyne equivalents with photoredox catalysis）

材料名称：碳炔等价物

科研团队：巴塞罗那科学技术研究所Suero研究组

碳具有结合四个原子并形成自然界普遍存在的稳定四价结构的独特能力。缺少一个或两个化合价产生的一系列物质，碳阳离子、负碳离子、自由基和碳烯，这是我们理解化学反应性的基础。与之相反的，碳炔（一种含三个非键合电子的单价碳）是一种相对未被探索的活性中间体；涉及碳炔的反应设计受限于控制其极端反应和缺乏高效反应源两方面相关的挑战。考虑到碳炔能够依次形成三个新的共价键，Wang 等人报导了产生碳炔或相关稳定物质的催化方法，能够帮助实现称之为“组装点”断开的方式来构建手性中心。Wang 等人描述了一种催化策略，使用可见光光氧化还原催化生成重氮甲基自由基，作为碳炔的直接等价物。这些碳炔等价物在芳环中诱导位点选择性碳-氢键断裂的能力能够实现重氮甲基化反应，这是对药物相关试剂的后期装配点功能化进行测序控制的基础。这一策略通过在碳-氢键处安装特定的手性中心，同时补充当前的平移后期功能化过程，为完善潜在生物活性分子的库提供了有效途径。此外，Wang 等人还将碳炔等价物的双自由基和碳烯性质利用到了大量化学原料直接转化为有价值的手性分子的过程中。（Nature DOI: 10.1038/nature25185）

2. 对手性声子的观测

（Observation of chiral phonons）

材料名称：二硒化钨

研究团队：加州大学伯克利分校张翔研究组

手性揭示了基本粒子基本相互作用的对称破缺。例如在凝聚态物质中，电子的手性支持着许多非常规的传输现象，如：量子霍尔效应。Zhu 等人表明了声子可以展现单层二硒化钨的内在手性。晶格反演对称性的破坏提升了布里渊区拐角处顺时针和逆时针声子模的退化。Zhu 等人借助间接红外吸收过程中通过空穴-声子相互作用进行的空穴的谷间传输确定了声子，并通过赝角动量守恒产生的红外圆二色谱证实了它们的手性。手性声子对于固体中的电子声子耦合、声子驱动的拓扑状态以及高能效信息处理非常重要。（Science DOI: 10.1126/science.aar2711）

3.钙钛矿 KTaO3（001）面的极性补偿机制

(Polarity compensation mechanisms on the perovskite surface KTaO3(001))

材料名称：钙钛矿钽酸钾（KTaO3）

研究团队：维也纳科技大学Setvin研究组

离子晶体中交替带电平面的叠加产生了发散的静电能量（这是种“极性灾难”），因此必须在表面上进行补偿。Setvin 等人利用扫描探针显微镜和密度泛函理论研究了钙钛矿钽酸钾（KTaO3）（001）面上随自由度增加的补偿机制。在真空中被切割的表面被固定在适当的位置，但是其能立即响应绝缘体到金属的转变以及可能的铁电晶格失真。在真空中退火形成分离的氧空位，随后将顶层完全重排成有序的 KO 和 TaO2 条纹图案。通过形成具有理想几何形状和电荷的羟基化覆盖层继而置于水蒸气后，最终发现了最佳解决方案。（Science DOI: 10.1126/science.aar2287）

4. 探测铜氧化物超流条纹的光学沉默

(Probing optically silent superfluid stripes in cuprates)

材料名称：La1.885Ba0.115CuO4

研究团队：德国马克斯普朗克物质结构和动力学研究所的Cavalleri研究组

铜氧化物中的非常规超导与其他类型的电子有序共存。但由于它们所具有的对称性，使得其中一些有序情况大多数实验探针都无法看到。例如，无法轻易用线性光学来验证超流体条纹可能的存在，因为通常条纹排列会导致层间超导隧道消失。Rajasekaran 等人展示了在非线性光学响应中消除这一问题。在超过转变温度 Tc = 13 开尔文达到电荷有序温度 Tco = 55 开尔文的 La1.885Ba0.115CuO4 中观察到了巨大的太赫兹三次谐波，即非线性约瑟夫逊隧道效应的特征。通过假设存在一对密度波凝聚物来模拟这些结果，其中光学沉默隧道模式的非线性混合驱动了偶极子载流的超流。（Science DOI: 10.1126/science.aan3438）

5. 二氧化碳通过镍进行氢化反应中的结构敏感性解析

(Unravelling structure sensitivity in CO2 hydrogenation over nickel)

材料名称：二氧化硅负载镍纳米团簇

研究团队：荷兰乌特勒支大学Weckhuysen研究组

在材料科学领域的不断努力使我们能够生成越来越小的金属纳米颗粒，这为了解与金属颗粒尺寸相关的催化性能创造了新的机会。结构敏感性是指负载型金属催化剂中并非所有表面原子都具有相同活性的现象。理解结构敏感性可以帮助合理地设计催化剂，从而可以控制机理、活性和选择性，甚至是催化反应的可行性。Vogt 等人使用独特的二氧化硅负载镍纳米团簇（1-7纳米）和先进的表征方法，证明了结构的灵敏度如何影响催化 CO2 减少的机制。这些发现为利用 Ni 进行的 CO2 氢化反应带来了新的基础性理解，并使我们能够控制其活性和选择性，这可以成为一种利用低成本过渡金属催化剂将 CO2 作为低成本甚至负成本原料来提高 CO2 减排量的手段。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-017-0016-y）

6. 室温下金属多层膜中单磁性斯格眀子的电学检测

(Electrical detection of single magnetic skyrmions in metallic multilayers at room temperature)

材料名称：Ta(5)|Pt(10)|[Co(0.8)|Ir(1)|Pt(1)]20|Pt(3) 金属多层膜

研究团队：巴黎萨克莱大学Cros研究组

磁性斯格眀子具有拓扑保护的旋转自旋结构，通过相邻自旋之间的不对称交换相互作用，可以在磁性材料中稳定自旋结构，从而产生固定的手性。它们的小尺寸以及抗外部干扰的稳健性使得磁性斯格眀子在新一代存储器和逻辑器件中成为潜的在存储数位。为了达到这个目的，必须表征出其对器件电输运性质的贡献。然而，现有的证明都限于低温，且主要在具有 B20 晶体结构的磁性材料中。Maccariello 等人结合伴随磁力显微镜和霍尔电阻率测量来证明了室温下在多层薄膜中对亚 100 纳米的斯格眀子的电子探测。Maccariello 等人还检测和分析了单个斯格眀子的霍尔信号，这表明它是由霍尔效应引起的异常霍尔效应，而霍尔效应可以忽略不计。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0044-4）

7. 磁电的飞秒激活

(Femtosecond activation of magnetoelectricity)

材料名称：CuB2O4

研究团队：东京大学Bossini研究组

在磁电和多铁材料中，磁自由度可以通过电场来控制，反之亦然。有大量研究致力于利用这种效应实现直流电场驱动的磁电数据存储和器件操纵。致力于实现更高速磁电操作的构想中，有种较有前景的替代方法是在飞秒时间尺度上提供类似的控制，即依靠激光脉冲来控制固体的电荷和磁有序。Bossini 等人在亚皮秒时间尺度上实现了光诱导 CuB2O4 中的磁电和多铁性。这个过程是由最高能量磁激发（布里渊区边缘附近具有波矢量的磁振子）产生的共振光波振荡引起的。光激发最显著的结果是光的吸收变为非互易的，这意味着材料对于光的两个相反方向会展现出不同的透明度。光致磁电在皮秒尺度上没有显示出任何衰减。这一发现揭示了超快速处理多铁性材料中电荷与自旋之间固有耦合的途径，这将可能揭示未被探索的磁性配置并揭示飞秒光学磁控制方面的新功能。（Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-017-0036-1）

8. 基于多稳态屈曲力学的可重构三维介观结构和微电子器件

(Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics)

材料名称：三维介观结构

研究团队：美国西北大学和中国清华大学联合研究团队

能够在其几何布局中进行可逆变换的三维（3D）结构在很多领域中都具有重要的应用。大多数可变形的 3D 系统是受到由折纸/剪纸概念或以响应材料进行 3D 打印的技术的启发。但想要利用最先进的微系统技术中发现的先进材料并同时应用于大尺寸范围仍然具有很大挑战性。Fu 等人介绍了一系列用于可变形三维介观结构的概念，这些概念适用于尺寸跨度从微米到毫米的各种材料的完全成形的平面器件。这些方法依赖于弹性体平台的形变，该形变是以不同时序中通过非线性机械屈曲来弹性地改变所支撑的介观结构的三维几何形状。而且，已经有超过 20 个实例进行了实验和理论上的研究，其中包括可以在不同几何形状之间重构的细微观结构以及可以变成三个或更多个不同状态的介观结构。最后 Fu 等人还介绍了可重置微电子器件的实例，即自适应射频电路和可隐形的电磁器件。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-017-0011-3）