頂刊動態｜5月份Science材料前沿科研成果精選（上）

Science五月熱點預覽：科羅拉多大學實現由可見光引發的有機催化原子轉移自由基聚合；加州大學伯克利分校通過程序化自由基串聯反應立體選擇性合成二倍半萜；美國阿貢國家實驗室利用磁荷冰精確操控局部磁荷狀態；斯坦福大學測量最優摻雜鐵基超導體的向列量子臨界特征；丹麥技術大學量化ZnO對銅催化甲醇合成的促進效率；麻省理工學院實現貴金屬與過渡金屬碳化物自組裝構建核殼結構高效電催化劑；浙江大學利用離子雜化多孔材料實現乙炔/乙烯的高效分離。

1、科羅拉多大學實現由可見光引發的有機催化原子轉移自由基聚合

圖1 光催化氧化反應

在傳統的聚合物聚合中，我們常常采用金屬催化劑進行催化反應。但是由于過渡金屬催化劑的存在，聚合物產品在凈化中具有十分大的挑戰，這使得某些聚合物在生物醫學和電子應用中受到限制。

為了解決以上問題，美國科羅拉多大學Jordan C. Theriot等人通過使用可見光氧化還原催化劑在傳統原子轉移自由基聚合（ATRP）的基礎上建立有機催化原子轉移自由基聚合，解決ATRP在自由基聚合中的的局限。他們使用一些可見光催化劑比如苯化吩噻嗪作為強還原氧化還原催化劑，這類催化劑通過可見光活化實現高的引發效率以合成高分子量和低分散性的聚合物。

文獻鏈接：Organocatalyzed atom transfer radical polymerization driven by visible light（DOI:10.1126/science.aaf3935）

2、加州大學伯克利分校通過程序化自由基串聯反應立體選擇性合成二倍半萜

圖2 含碳骨架的復雜萜類化合物

環化酶可以將聚異戊二烯鏈連接到復雜的多環萜類物質上，在非生物條件下這是一個很難模仿的序列。

加州大學伯克利分校化學系的Zachary G .Brill等人通過程序化可控的自由基串聯反應將簡單的異戊烯基衍生鏈環化成復雜的萜類，這種方法使他們能夠有效地建立復雜的5-8-5稠環系統。在觀察自由基還原環化的過程中還發現一種小分子硫醇催化劑可以打破固有的立體選擇性。這項工作對萜類物質的高效合成奠定了基礎。

文獻鏈接：Enantioselective synthesis of an ophiotionsbolin sesterterpene via a programmed radical cascade（DOI: 10.1126/science.aaf6742）

3、美國阿貢國家實驗室利用磁荷冰精確操控局部磁荷狀態

圖3 典型的人造方形自旋冰

在可與鐵磁納米島長相互作用的方形晶格中，人造自旋冰是首個被證實的最佳研究系統。通過設計及觀察，人造冰可用于研究幾何不穩定性。但是由于基本原理和應用研究方向的雙重限制，難以實現不同結構下特定的長程有序狀態。

美國阿貢國家實驗室及其合作者成功解決了這個問題，他們設計了一種人造自旋結構，可產生具調諧八種不同結構的長程有序狀態的磁荷冰。同時研制出可精確操控局部磁荷狀態的技術，實現室溫下寫入-讀出-擦除的多功能操作。這種整體可重構，局部可寫的磁荷冰能設計磁單極子缺陷，去除磁子，進而能控制二維材料的性質。

文獻鏈接：Rewritable artificial magnetic（DOI: 10.1126/science.aad8037）

4、斯坦福大學測量最優摻雜鐵基超導體的向列量子臨界特征

圖4 差分彈性電阻測量裝置圖

大量證據表明高溫超導和電子向列相存在緊密聯系，而高溫超導和向列波動之間的因果關系還不是很清楚。最近的理論預測：向列量子臨界特性（量子臨界波動是由于接近向列量子臨界點造成的）可以增強存在的超導配對相互作用。特別的是，純向列相不會破壞初始晶體晶格的平移對稱性，因此，向列波動有一個波矢q=0，表明配對通過向列波動交換增強了在所有對稱溝道的超導臨界溫度Tc。因此，探究向列波動是否屬于最優摻雜高溫超導體的特征屬性及向列波動本質的量子行為是很有意義的。

美國斯坦福大學Hsueh-Hui Kuo等人使用差分彈性電阻測試五個最優摻雜的鐵基超導體，結果表明在很寬的溫度范圍，它們的向列磁化率都遵循簡單的居里-外斯定律。這意味著發散的向列磁化率在最優摻雜的區域可能是一個基本特征，向列波動可能也是一個基本的超導配對相互作用。

文獻鏈接：Ubiquitous signatures of nematic quantum criticality in optimally doped Fe-based superconductors（DOI: 10.1126/science.aab0103）

5、丹麥技術大學量化ZnO對銅催化甲醇合成的促進效率

圖5 ?納米顆粒的分布電鏡成像

促進劑可以顯著增強或抑制催化劑的表面活性和選擇性。人們普遍認為，促進劑可以對催化活性位點進行電子調制或者改變催化劑的形態，以顯著增加催化劑活性位點的數量，進而提高催化活性。但是由于反應中促進劑的含量極少，因此對其細節理解是很困難的。

丹麥技術大學Jens Sehested等人利用ZnO納米顆粒作為促進劑，提升Cu納米顆粒催化合成氣體合成甲醇的催化特性的內部機理。通過組合表面面積滴定，電子顯微鏡，活性測量，密度泛函理論計算和模擬，作者證明了促進作用和Zn原子在Cu表面的遷移有關。Zn覆蓋面可以被定量描述成Cu和ZnO納米顆粒的熱力學活性和甲醇合成條件的函數。此外，實驗數據揭露了甲醇合成活性和Zn覆蓋面之間有強相關性。這些結果表明，納米顆粒的活性和顆粒尺寸關系密切，特別是在雙納米顆粒系統中。

文獻鏈接：Quantifying the promotion of Cu catalysts by ZnO for methanol synthesis （DOI: 10.1126/science.aaf0718）

6、麻省理工學院實現貴金屬與過渡金屬碳化物自組裝構建核殼結構高效電催化劑

圖6 ?圖模板法制備核殼結構催化劑的制備流程

貴金屬催化劑具有優異的催化性能，在很多方面都具有很好的應用前景，比如催化轉化，燃料電池等。然而由于貴金屬高昂的價格，嚴重增加了生產成本，極大的阻礙了貴金屬催化的實際發展。這就需要我們能夠在保持貴金屬高活性和高穩定性的同時，能夠盡可能的減少貴金屬的負載量，比如制備原子級別的催化劑，合成中空結構或核殼結構催化劑。但是這些辦法還是不能精確的控制核、殼的組成、大小等，并且在催化過程中，容易催化劑易發生重組，形成合金而失去原有的活性。

美國麻省理工學院Sean T. Hunt 等人最近報道了使用模板法制備出單原子層的貴金屬負載與過度金屬碳化物表面的核殼結構催化劑。首先將貴金屬鹽和過度金屬氧化物包裹在SiO2模板內，然后進行分步碳化處理，最后去除SiO2模板，制備出在過渡金屬碳化物表面負載單層貴金屬核殼結構催化劑，該催化劑表現出了超高的電催化活性與穩定性。

文獻鏈接：Self-assembly of noble metal monolayers on transition metal carbide nanoparticle catalysts（DOI: 10.1126/science.aad8471）

7、浙江大學利用離子雜化多孔材料實現乙炔/乙烯的高效分離

圖7 ?不同物質的C2H2和 C2H4的吸附熱力學

為了解決高效的氣體儲存和分離中所遇到的挑戰，科學家們不得不重新探索去設計新型多孔材料。功夫不負有心人，科學家們設計和合成了具有規則多孔、大的比表面積新型多孔材料MOFs，這個多孔材料是無機有機雜化材料，是由金屬離子或團簇與有機配體通過配位鍵組合在一起的，這些材料可以從第一原理進行設計，而且由于其組成和結構固有多樣性，可以對其孔徑和孔的性質進行有效精準的調控。

浙江大學邢華斌團隊及其合作者采用離子雜化多孔材料，突破了氣體分離選擇性和容量之間的trade-off效應，實現了乙炔乙烯的高效分離。這一研究被認為是氣體吸附分離技術領域的一大突破。

文獻鏈接：Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene（DOI: 10.1126/science.aaf2458）

本文由材料人學術組新銳作者靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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