《自然》《科学》一周（6.4-6.10）材料科学前沿要闻

1. 一种硅布里渊激光器

（A silicon Brillouin laser）

材料名称：硅

研究团队：美国耶鲁大学Rakich研究组

布里渊激光振荡器作为各种光学系统中锁模激光器、微波振荡器和光学陀螺仪的基础，它提供了强大而灵活的动力。但传统硅光子波导中的布里渊相互作用明显较弱，这阻碍了硅基布里渊激光器的发展。最近混合光子-声子波导的出现揭示了布里渊相互作用是硅中最强和最具剪裁性的非线性之一。Otterstrom 等人利用这些设计非线性证明了硅中的布里渊激光。并表明了这种基于硅的布里渊激光进入了光学自激振荡产生声子线宽变窄的动力学状态。这一研究结果为开发硅光子电路单片集成应用提供了一个平台。（Science DOI: 10.1126/science.aar6113）

2. 用于水性有机氧化还原液流电池的仿生高容量阳极电解液

（A biomimetic high-capacity phenazine-based anolyte for aqueous organic redox flow batteries）

材料名称：吩嗪衍生物（7,8-二羟基吩嗪-2-磺酸）

研究团队：美国西北太平洋国家实验室 Wei Wang 研究组

近年来，水溶性有机（ASO）氧化还原活性材料作为氧化还原液流电池（RFB）中传统过渡金属离子的替代品引起了极大的关注。但已经报道的 ASO 可逆容量通常大大低于根据已有报道的最大溶解度所得的理论值。Hollas 等人描述了一种基于吩嗪的 ASO 化合物，其可逆容量极高，超过其理论值的 90％。并通过对吩嗪分子结构进行策略性修改，展示了将原始吩嗪接近于零的溶解度提高到了 1.8 M，同时其氧化还原电位也超过 400 mV。基于邻近饱和浓度的吩嗪衍生物（7,8-二羟基吩嗪-2-磺酸）的 RFB 表现出 1.4V 的操作电压，可逆阳极电解液容量为 67Ah-1，超过 500 次循环后每个循环的容量保持率为 99.98％。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0167-3）   

3.一种基于超导纳米线的可扩展多光子重合检测器

(A scalable multi-photon coincidence detector based on superconducting nanowires)

材料名称：NbN纳米线

研究团队：美国麻省理工学院Berggren研究组

单光子的一致性检测在许多量子技术中都是至关重要的，并且通常需要多个时间分辨单光子探测器。但当测量基准扩展到大量空间模式时，电子读出便成为了主要挑战。 Zhu 等人通过引入双端重合检测器来解决这个问题，该检测器使基于超导纳米线微带传输线的检测器片段阵列的可扩展读出成为了可能。并利用计时逻辑展示了一种十六元素探测器，可解决所有 136 种可能的单光子和双光子符合事件。Zhu 等人还进一步探索了探测器输出的脉冲波形，并在四元素器件中解决了四光子事件，给出了探测器的光子数解析能力。这种新型检测器架构和操作方案将会特别适用于大规模光子集成电路中的多光子重合检测。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0160-9）

4. 利用破坏性 σ 干涉全面抑制单分子电导

(Comprehensive suppression of single-molecule conductance using destructive σ-interference)

材料名称：饱和硅基分子

研究团队：丹麦哥本哈根大学Solomon研究组

电子通过分子（以及通过任何纳米级绝缘和介电材料）的隧道效应会随着长度的增加而呈指数衰减，长度依赖性反映在电子携带电流的能力上。近期研究显示可以通过破坏性量子干涉来抑制穿过分子结的相干隧穿，这是一种非长度依赖的机制。对于之前研究的碳基分子，取消所有传输通道将涉及抑制 π-轨道和 σ-轨道系统对电流的贡献。以前的破坏性干扰报告表明，只有通过 π-通道才能降低传输。Garner 等人报道了一种饱和硅基分子，其官能化的双环 [2.2.2] 八硅烷部分在其 σ-系统中展现出破坏性量子干涉。虽然分子硅通常形成导线，但 Garner 等人通过将 Si-Si 键锁定成双环分子框架中的重叠构象，综合利用了电导测量和从头计算进行研究来实现破坏性 σ-干涉，可以产生长度小于 1 纳米的极其绝缘的分子。分子还表现出异常高的热电势（0.97mv/K），这是通过破坏性干涉抑制所有隧道路径的另一个实验特征：计算表明，中央双环 [2.2.2] 八辛硅烷单元比其所占据的空间具有更小的导电性。文章提出的分子设计提供了基于量子干涉的单分子绝缘体的概念证明。（Nature  DOI: 10.1038/s41586-018-0197-9）    

5. 用于理解液体电解质中电催化反应的模型催化剂

(Electrifying model catalysts for understanding electrocatalytic reactions in liquid electrolytes)

材料名称：Pt/Co3O4(111)

研究团队：德国弗里德里希-亚历山大安大学埃尔兰根-纽伦堡Libuda研究组

电催化是我们未来向可再生能源系统过渡的核心。大多数可再生能源的储能和转换技术都依赖于电催化过程，随着使用可再生能源的廉价电能的不断增加，化学生产将在不久的将来出现电气化。然而，我们对电催化的基本理解却滞后于长期以来主导化学技术的经典非均相催化领域。Faisal 等人描述了一种新的策略来推进电催化材料的基础研究。建议由表面科学方法制成“通电”复杂的基于氧化物的模型催化剂来探索液体电解质中的电催化反应。并通过将原子级定义的铂/钴氧化物模型催化剂转移到电化学环境中，同时保持其原子表面结构来证明了这一概念的可行性。同时利用这种方法，探索了粒子尺寸效应，并确定了此前未知的金属-载体相互作用，从而稳定了纳米粒子界面处的氧化铂。金属-载体相互作用开启了一种新的涉及金属和氧化铂的协同反应途径。这一研究结果说明了这个概念所具有的潜力，它能够提供了一个系统的方法来建立原子定义的模型电极，用于基础电催化研究。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0088-3）

6. 金属-有机框架中以电子离域化和电荷迁移率作为还原的函数

(Electron delocalization and charge mobility as a function of reduction in a metal-organic framework)

材料名称：KxFe2(BDP)3金属-有机框架化合物

研究团队：美国加州大学伯克利分校Long和杨培东研究团队

导电金属有机框架是一类新兴的三维结构，它具有其他多孔材料前所未有的模块化程度、合成柔韧性和结构可预测性。但引起长距离电荷非定域化并建立广泛适用于这类材料所遇到的各种结构的合成策略却仍然具有挑战性。Aubrey 等人报道了 KxFe2(BDP)3（0≤x≤2; BDP2- = 1,4-benzenedipyrazolate）的合成，其在母体框架中显示出了完全电荷离域，并且电荷迁移率与技术相关的聚合物和陶瓷相当。通过一系列光谱方法、计算技术和单微晶场效应晶体管测量，Aubrey 等人证明了 Fe2(BDP)3 的分步还原导致了金属-有机框架沿着单个晶轴显示出近 10,000 倍的电导率增强。在 KxFe2(BDP)3 场效应晶体管中实现这些性能，代表实现了用于创建新的基于多孔导体器件的一般合成策略。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0098-1）  

7. 有机准二维材料中量子偶极子液态的证据

(Evidence for a quantum dipole liquid state in an organic quasi-two-dimensional material)

材料名称：有机准二维材料

研究团队：美国约翰霍普金斯大学Drichko研究组

莫特绝缘体通常以位于晶格位置的低能自由度仅涉及自旋电子来描绘。Hassan 等人观察到在基于分子的莫特绝缘体 κ-(BEDT-TTF)2Hg(SCN)2Br 中的自发电荷的自由度，导致了量子偶极液态。位于分子二聚体晶格位点上的电子形成电偶极子，其在低温下不排序并且在拉曼光谱实验中通过实验检测到了频率波动。热容量和拉曼散射响应，这两者与复合自旋和电偶极自由度保持波动至最低测量温度的情况一致。（Science  DOI: 10.1126/science.aan6286）

8. 配体促成的多功能铑(ⅱ)催化的芳基 C-H 与 CO2 羧化中的位点选择性

(Ligand-enabled site-selectivity in a versatile rhodium(ii)-catalysed aryl C-H carboxylation with CO2)

材料名称：铑基催化剂

研究团队：中国科学院福建物构所李纲研究组

尽管二氧化碳（CO2）是一种很有吸引力的可再生碳源，但其通过未活化的碳-氢（C-H）键的催化羧化生产精细化学品的利用方式仍然非常有限且仍俱挑战，主要原因是二氧化碳在热力学和动力学上是稳定的。特别是，通过芳烃与 CO2 的过渡金属催化的 C-H 羧化生成（杂）芳族羧酸极为罕见。Fu 等人报告了由配体促成的 2-芳基酚在大气压 CO2 下通过 Rh2(OAc)4 催化和螯合辅助 C-H 键活化的位点选择性羧化。值得注意的是，该反应选择性地发生在亲核性较弱的苯基上，同时促进了膦配体，这会超越众所周知的 Kolbe-Schmitt 型反应所的位点选择性。用这种方法，几种重要的杂环类中的非酸性 C-H 键也能被有效地羧化。机制研究揭示了活性催化剂的配合物，并且该反应是在氧化还原中性反应条件下进行的。（Nature Catalysis  DOI: 10.1038/s41929-018-0080-y）