顶刊动态｜5月份Science材料前沿科研成果精选（上）

Science五月热点预览：科罗拉多大学实现由可见光引发的有机催化原子转移自由基聚合；加州大学伯克利分校通过程序化自由基串联反应立体选择性合成二倍半萜；美国阿贡国家实验室利用磁荷冰精确操控局部磁荷状态；斯坦福大学测量最优掺杂铁基超导体的向列量子临界特征；丹麦技术大学量化ZnO对铜催化甲醇合成的促进效率；麻省理工学院实现贵金属与过渡金属碳化物自组装构建核壳结构高效电催化剂；浙江大学利用离子杂化多孔材料实现乙炔/乙烯的高效分离。

1、科罗拉多大学实现由可见光引发的有机催化原子转移自由基聚合

图1 光催化氧化反应

在传统的聚合物聚合中，我们常常采用金属催化剂进行催化反应。但是由于过渡金属催化剂的存在，聚合物产品在净化中具有十分大的挑战，这使得某些聚合物在生物医学和电子应用中受到限制。

为了解决以上问题，美国科罗拉多大学Jordan C. Theriot等人通过使用可见光氧化还原催化剂在传统原子转移自由基聚合（ATRP）的基础上建立有机催化原子转移自由基聚合，解决ATRP在自由基聚合中的的局限。他们使用一些可见光催化剂比如苯化吩噻嗪作为强还原氧化还原催化剂，这类催化剂通过可见光活化实现高的引发效率以合成高分子量和低分散性的聚合物。

文献链接：Organocatalyzed atom transfer radical polymerization driven by visible light（DOI:10.1126/science.aaf3935）

2、加州大学伯克利分校通过程序化自由基串联反应立体选择性合成二倍半萜

图2 含碳骨架的复杂萜类化合物

环化酶可以将聚异戊二烯链连接到复杂的多环萜类物质上，在非生物条件下这是一个很难模仿的序列。

加州大学伯克利分校化学系的Zachary G .Brill等人通过程序化可控的自由基串联反应将简单的异戊烯基衍生链环化成复杂的萜类，这种方法使他们能够有效地建立复杂的5-8-5稠环系统。在观察自由基还原环化的过程中还发现一种小分子硫醇催化剂可以打破固有的立体选择性。这项工作对萜类物质的高效合成奠定了基础。

文献链接：Enantioselective synthesis of an ophiotionsbolin sesterterpene via a programmed radical cascade（DOI: 10.1126/science.aaf6742）

3、美国阿贡国家实验室利用磁荷冰精确操控局部磁荷状态

图3 典型的人造方形自旋冰

在可与铁磁纳米岛长相互作用的方形晶格中，人造自旋冰是首个被证实的最佳研究系统。通过设计及观察，人造冰可用于研究几何不稳定性。但是由于基本原理和应用研究方向的双重限制，难以实现不同结构下特定的长程有序状态。

美国阿贡国家实验室及其合作者成功解决了这个问题，他们设计了一种人造自旋结构，可产生具调谐八种不同结构的长程有序状态的磁荷冰。同时研制出可精确操控局部磁荷状态的技术，实现室温下写入-读出-擦除的多功能操作。这种整体可重构，局部可写的磁荷冰能设计磁单极子缺陷，去除磁子，进而能控制二维材料的性质。

文献链接：Rewritable artificial magnetic（DOI: 10.1126/science.aad8037）

4、斯坦福大学测量最优掺杂铁基超导体的向列量子临界特征

图4 差分弹性电阻测量装置图

大量证据表明高温超导和电子向列相存在紧密联系，而高温超导和向列波动之间的因果关系还不是很清楚。最近的理论预测：向列量子临界特性（量子临界波动是由于接近向列量子临界点造成的）可以增强存在的超导配对相互作用。特别的是，纯向列相不会破坏初始晶体晶格的平移对称性，因此，向列波动有一个波矢q=0，表明配对通过向列波动交换增强了在所有对称沟道的超导临界温度Tc。因此，探究向列波动是否属于最优掺杂高温超导体的特征属性及向列波动本质的量子行为是很有意义的。

美国斯坦福大学Hsueh-Hui Kuo等人使用差分弹性电阻测试五个最优掺杂的铁基超导体，结果表明在很宽的温度范围，它们的向列磁化率都遵循简单的居里-外斯定律。这意味着发散的向列磁化率在最优掺杂的区域可能是一个基本特征，向列波动可能也是一个基本的超导配对相互作用。

文献链接：Ubiquitous signatures of nematic quantum criticality in optimally doped Fe-based superconductors（DOI: 10.1126/science.aab0103）

5、丹麦技术大学量化ZnO对铜催化甲醇合成的促进效率

图5 纳米颗粒的分布电镜成像

促进剂可以显著增强或抑制催化剂的表面活性和选择性。人们普遍认为，促进剂可以对催化活性位点进行电子调制或者改变催化剂的形态，以显著增加催化剂活性位点的数量，进而提高催化活性。但是由于反应中促进剂的含量极少，因此对其细节理解是很困难的。

丹麦技术大学Jens Sehested等人利用ZnO纳米颗粒作为促进剂，提升Cu纳米颗粒催化合成气体合成甲醇的催化特性的内部机理。通过组合表面面积滴定，电子显微镜，活性测量，密度泛函理论计算和模拟，作者证明了促进作用和Zn原子在Cu表面的迁移有关。Zn覆盖面可以被定量描述成Cu和ZnO纳米颗粒的热力学活性和甲醇合成条件的函数。此外，实验数据揭露了甲醇合成活性和Zn覆盖面之间有强相关性。这些结果表明，纳米颗粒的活性和颗粒尺寸关系密切，特别是在双纳米颗粒系统中。

文献链接：Quantifying the promotion of Cu catalysts by ZnO for methanol synthesis（DOI: 10.1126/science.aaf0718）

6、麻省理工学院实现贵金属与过渡金属碳化物自组装构建核壳结构高效电催化剂

图6 图模板法制备核壳结构催化剂的制备流程

贵金属催化剂具有优异的催化性能，在很多方面都具有很好的应用前景，比如催化转化，燃料电池等。然而由于贵金属高昂的价格，严重增加了生产成本，极大的阻碍了贵金属催化的实际发展。这就需要我们能够在保持贵金属高活性和高稳定性的同时，能够尽可能的减少贵金属的负载量，比如制备原子级别的催化剂，合成中空结构或核壳结构催化剂。但是这些办法还是不能精确的控制核、壳的组成、大小等，并且在催化过程中，容易催化剂易发生重组，形成合金而失去原有的活性。

美国麻省理工学院Sean T. Hunt 等人最近报道了使用模板法制备出单原子层的贵金属负载与过度金属碳化物表面的核壳结构催化剂。首先将贵金属盐和过度金属氧化物包裹在SiO2模板内，然后进行分步碳化处理，最后去除SiO2模板，制备出在过渡金属碳化物表面负载单层贵金属核壳结构催化剂，该催化剂表现出了超高的电催化活性与稳定性。

文献链接：Self-assembly of noble metal monolayers on transition metal carbide nanoparticle catalysts（DOI: 10.1126/science.aad8471）

7、浙江大学利用离子杂化多孔材料实现乙炔/乙烯的高效分离

图7 不同物质的C2H2和 C2H4的吸附热力学

为了解决高效的气体储存和分离中所遇到的挑战，科学家们不得不重新探索去设计新型多孔材料。功夫不负有心人，科学家们设计和合成了具有规则多孔、大的比表面积新型多孔材料MOFs，这个多孔材料是无机有机杂化材料，是由金属离子或团簇与有机配体通过配位键组合在一起的，这些材料可以从第一原理进行设计，而且由于其组成和结构固有多样性，可以对其孔径和孔的性质进行有效精准的调控。

浙江大学邢华斌团队及其合作者采用离子杂化多孔材料，突破了气体分离选择性和容量之间的trade-off效应，实现了乙炔乙烯的高效分离。这一研究被认为是气体吸附分离技术领域的一大突破。

文献链接：Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene（DOI: 10.1126/science.aaf2458）

本文由材料人学术组新锐作者灵寸供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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