Nature系列12篇，唐本忠、E.H.Sargent等成果速递

　　1. Nat. Rev. Phy.综述：黑磷及其等电子材料

　　2D和分层材料已经迅速发展了十多年。其中黑磷及其等电子基团，IV族单卤代化合物具有独特的地位。这些褶皱材料具有独特的晶体对称性并表现出各种独特的特性，例如高载流子迁移率、强红外响应性、宽可调带隙、面内各向异性和自发电极化。Fengnian Xia, Han Wang和Li Yang等人回顾黑磷及其等电子材料的基本属性，着重于新的电子和光子器件概念和新的物理现象，并讨论其未来的发展方向。

　　Xia,F., Wang, H., Hwang, J. C. M., Neto, A. H. C. & Yang, L. Black phosphorusand its isoelectronic materials. Nature Reviews Physics, 2019.

　　DOI:10.1038/s42254-019-0043-5

　　https://doi.org/10.1038/s42254-019-0043-5

　　2. Nature Chem.：化学稳定的聚芳醚基COFs

　　开发具有高化学稳定性的结晶多孔材料对其实际应用具有重要意义。有鉴于此，吉林大学Valentin Valtchev、Qianrong Fang以及美国特拉华大学Yushan Yan等人报道了具有高结晶度、孔隙度和化学稳定性的聚芳醚基共价有机框架(PAE-COFs)的合成。通过邻二氟苯与邻苯二酚建筑间的亲核芳香取代反应形成醚键，合成了PAE-COFs。研究表明，该材料在包括沸水、强酸和强碱、氧化和还原条件在内的苛刻的化学环境下均是稳定的。其稳定性性能超过了其他已知的晶体多孔材料，如沸石、金属有机框架和共价有机框架等。此外，研究人员发现功能化的PAE-COFs具有孔隙率高、稳定性好、可回收利用等优点。这些材料的初步应用表明，可以利用该材料在广泛的pH值范围内去除水中的抗生素。

　　XinyuGuan, Hui Li, Yunchao Ma, Ming Xue, Qianrong Fang, Yushan Yan, ValentinValtchev & Shilun Qiu. Chemically stable polyarylether-based covalentorganic frameworks. Nature Chemistry, 2019.

　　DOI:10.1038/s41557-019-0238-5

　　https://www.nature.com/articles/s41557-019-0238-5

　　3. Nature Chem.：ORR过渡金属催化剂的表面结构优化

　　如何有效预测催化材料的最佳结构一直是科研人员的目标，但事实却是通常只能在均一表面上模拟相关活性位点。特别是对于一些结构敏感的化学反应而言，如氧化还原反应，目前还没有有效的方法用于识别活性最佳的表面结构。有鉴于此，美国特拉华大学D. G. Vlachos等人开发了一种通过识别活性位点来预测催化材料最佳结构的方法，该方法可以有效识别活性位点的密度和空间排列，然后使表面能量最小化。研究发现，无论是理想的表面结构还是无序的结构，缺陷的密度与催化性能有着密切的关联。基于这些结论，研究者将该方法应用于Pt(111)、Pt(100)、Au(111)和Au(100)表面的氧还原反应。

　　M. Núñez, J. L. Lansford & D.G. Vlachos. Optimization of the facet structure of transition-metal catalystsapplied to the oxygen reduction reaction. Nature Chemistry, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41557-019-0247-4

　　https://www.nature.com/articles/s41557-019-0247-4

　　4. 特拉华大学Nature Energy：高效稳定的氢氧化物交换膜燃料电池

　　降低燃料电池系统成本的一种有希望的方法是开发氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC），这为不含铂族金属的催化剂和低成本双极板的可能性。然而，对于HEMFC的关键组分，碱性聚电解质（氢氧化物交换膜和氢氧化物交换离聚物），目前还未开发出有效的，这是HEMFC的开发主要阻碍。

　　美国特拉华大学Bingjun Xu 和Yushan Yan 等人报道了基于聚（芳基哌啶鎓）（PAP）的氢氧化物交换膜和氢氧化物交换离聚物，其同时具有优异的离子导电性、化学稳定性、机械强度、气体分离和选择性溶解性。这些性质源自哌啶阳离子和刚性无醚键的芳基骨架的组合。基于PAP材料的Ag基阴极（低Pt膜电极）的电池显示出优异的峰值功率密度920 mW cm-2；并且在H2/CO2-95°C下，500 mA cm-2的恒流密度下，稳定工作300小时。

　　Wang,J., Zhao, Y., Setzler, B. P., Rojas-Carbonell, S., Ben Yehuda, C., Amel, A.,Page, M., Wang, L., Hu, K., Shi, L., Gottesfeld, S., Xu, B. & Yan, Y.Poly(aryl piperidinium) membranes and ionomers for hydroxide exchange membranefuel cells. Nature Energy, 2019.

　　DOI:10.1038/s41560-019-0372-8

　　https://doi.org/10.1038/s41560-019-0372-8

　　5. Nature Methods：二维和三维单分子定位显微镜软件的评估

　　随着二维(2D)和三维(3D)单分子定位显微镜(SMLM)的广泛应用，研究人员开发了大量不同的数据分析软件来获得超分辨率图像。有鉴于此，英国纽卡斯尔大学Seamus Holden和瑞士洛桑联邦理工学院Daniel Sage等人对各类二维和三维SMLM软件的性能进行了排名。通过对现有的成像模式生成了模拟数据库，并根据这些数据对36个“参赛者”进行了评估。该研究提供了对3D SMLM软件的第一个广泛性评估，并提供了最新的关于2D和3D SMLM在现实条件下如何操作的全面视角。该研究能够让研究人员为他们的实验确定最佳分析软件，并有利于3D SMLM软件开发人员根据当前的技术状态对新软件进行基准测试。

　　Daniel Sage, Seamus Holden. Super-resolution fight club: assessment of 2D and 3D single-molecule localization microscopy software. Nature Methods, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41592-019-0364-4

　　https://www.nature.com/articles/s41592-019-0364-4

　　6. Nature Photonics：受激拉曼激发荧光光谱和成像

　　荧光检测可提供高达单分子的灵敏度，但缺乏足够的化学信息。相比之下，基于拉曼的振动光谱可提供了分子结构、动力学以及耦合的精确化学特异性，但其缺点是较为迟钝、不敏感。近日，哥伦比亚大学Wei Min研究团队报道了一种受激拉曼激发荧光（SREF）的混合技术，该技术集成了卓越的检测灵敏度和精细的化学特异性。

　　通过受激拉曼泵浦到中间振动本征态，然后向上转换为电子荧光态，SREF将振动共振编码到荧光发射的激发光谱中。研究人员通过利用窄的振动线宽，展示了细胞中的多重SREF成像，打破了荧光的“颜色屏障”。进一步地，研究人员通过利用SREF卓越的灵敏度，实现了全远场单分子拉曼光谱和成像，没有等离子体增强，这是光子学中长期追求的目标。因此，通过合并拉曼和荧光光谱，SREF将成为化学和生物学的有价值的工具。

　　Xiong, H. et al. Stimulated Ramanexcited fluorescence spectroscopy and imaging. Nature Photonics, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41566-019-0396-4

　　https://www.nature.com/articles/s41566-019-0396-4

　　7. Nature Commun.：研究OLED微腔引起的光谱变窄现象的潜在机制

　　北京交通大学Bin Hu和长春光学精密机械与物理研究所Xingyuan Liu对微腔OLED中电致发光光谱变窄现象的潜在机制进行了研究。研究发现，微腔引起空间扩展状态的形成，在有机材料中形成Frenkel激子之前起中间状态的作用。此外，变窄的电致发光输出与磁电致发光同时发生的线性极化。这表明空间延伸的状态变得对齐，以通过光学共振在微腔内形成相干的发光激子。显然，空间扩展状态为实现基于微腔OLED中的激光作用的电致发光光谱变窄现象提供了必要条件。

　　Wang, M.； Lin, J.； Hsiao, Y.-C.； Liu, X.； Hu,B. Investigating underlying mechanism in spectral narrowing phenomenon inducedby microcavity in organic light emitting diodes. Nature Communications, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41467-019-09585-0

　　https://www.nature.com/articles/s41467-019-09585-0

　　8. 唐本忠&何自开NatureCommun.：一种提高有机持久室温磷光的效率的策略！

　　持久发光是一种有趣的现象，其具有特殊的应用。然而，能够持久发光的有机材料（例如有机持久性室温磷光）的开发因其低效率而滞后。此外，提高有机发光体的磷光效率通常导致寿命短。唐本忠和何自开团队报道了一种通过分子内三重态-三重态能量转移来提高磷光效率的策略。（溴）二苯并呋喃或（溴）二苯并噻吩与咔唑的结合促进了系统间的交叉，并提供了分子内三重态桥，进而促进放热三重态-三重态能量转移，以重新填充咔唑的最低三重态。这些因素共同作用以促进有效的磷光。该策略将有助于开发用于潜在高科技应用的高效磷光材料。

　　Zhao, W.； Cheung, T. S.； Jiang, N.； Huang, W.；Lam, J. W. Y.； Zhang, X.； He, Z.； Tang, B. Z. Boosting the efficiency oforganic persistent room-temperature phosphorescence by intramoleculartriplet-triplet energy transfer. Nature Communications, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41467-019-09561-8

　　https://doi.org/10.1038/s41467-019-09561-8

　　9. Nature Commun.：卤化钙钛矿中光子和电子性质的定量光学评估

　　高效太阳能电池的发展依赖于需要精确测量的电子和光学特性的管理。随着转换效率的提高，电子和光子贡献会影响整体性能。近日，LaurentLombez研究团队展示了一种光学方法来量化半导体材料的几种传输特性，集合多维成像技术的使用可以解耦和量化电子和光子的贡献。研究人员以卤化钙钛矿薄膜为实例，光学测量纯载流子扩散特性，并证明光学效应的贡献。研究人员认为须考虑光子传播效应以避免过高估计的传输性质（如载流子迁移率，扩散长度或扩散系数）。

　　Bercegol, A. et al. Quantitativeoptical assessment of photonic and electronic properties in halideperovskite. Nature Communications, 2019.

　　DOI:10.1038/s41467-019-09527-w

　　https://www.nature.com/articles/s41467-019-09527-w

　　10. Sargent最新Nature Commun.：钙钛矿单晶中光载流子传输特性的非接触测量

　　金属卤化物钙钛矿由于其较长的电荷载流子扩散长度的显著特性促进溶液工艺处理的光电子学的快速发展。不幸的是，对于表面相似的材料，钙钛矿单晶扩散长度范围很广（从3 μm到3 mm）。近日，多伦多大学Sargent研究团队报道了一种非接触式方法来测量载流子迁移率并进一步提取扩散长度：该方法避免了接触电阻和高电场的影响。研究人员改变淬灭剂的密度，发现钙钛矿中激发态寿命对淬火剂间距的依赖性。该研究结果是可重复的和自洽的（即它们对许多不同猝灭剂浓度的扩散长度一致）在±6％以内。研究人员通过使用这种方法，得到金属卤化物钙钛矿的扩散长度为2.6μm±0.1μm。

　　Gong, X. et al. Contactlessmeasurements of photocarrier transport properties in perovskite singlecrystals. Nature Communications, 2019.

　　DOI：10.1038/s41467-019-09538-7

　　https://www.nature.com/articles/s41467-019-09538-7

　　11. Nature Commun.：富锂材料中异常的金属偏析为LIB中稳定的正极提供设计规则

　　掺杂电化学惰性元素的阳离子也被广泛用于提高富锂层状正极材料的晶体结构稳定性，除了表面涂层处理外，一种新的掺杂策略是在高压充电过程中使用4d或5d过渡金属来稳定晶体结构以防止氧释放。然而，大多数先前对含有4d或5d元素的层状氧化物研究都集中在其原始状态，忽略了循环诱导的氧损失和表面重构。因此，需要研究表面重构层的不稳定性是如何在含有4d或5d元素层状氧化物中导致不同的降解途径。

　　布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心Huolin L. Xin、化学部Xiao-Qing Yang和中国科学院物理研究所Xiqian Yu等人结合电镜、同步辐射XRD和DFT计算来研究含有4d元素的富锂钌-锰氧化物Li2Ru0.5Mn0.5O3（LRMO）。研究者发现，延长循环次数后，LRMO形成了三维多孔结构，并且可以观察到有亚微米级的钌和锰的偏析，其中，钌在重构的氧化物表面上以金属纳米团簇的形式被分离出来。计算表明，意外的钌金属偏析是由于其在缺氧表面中的热力学不溶性。这种不溶性可以破坏重构的表面，也解释了材料中形成多孔结构的现象。

　　因此，研究者意识到，当在深度充电状态下发生严重的氧释放时，需要对表面重构阶段的考虑增加了额外的限制，以指导表面掺杂剂的筛选。进一步地，研究者通过DFT计算确定可以将3d元素Sc，Ti，V，Cr和4d元素Y，Zr，Nb，Mo掺杂进表面，同时其在体相中不太稳定。在理论计算的基础上，研究者合成了富锂镍-钛-铌氧化物材料，预计钛和铌能够稳定表面重构层。实验结果表明该材料即使在50次充/放电循环后也没有出现金属元素的偏析，该实验证实了之前的理论预测。

　　Ruoqian Lin, Enyuan Hu, Mingjie Liu, Yi Wang,Hao Cheng, Jinpeng Wu, Jin-Cheng Zheng, Qin Wu, Seongmin Bak, Xiao Tong, RuiZhang, Wanli Yang, Kristin A. Persson, Xiqian Yu, Xiao-Qing Yang, Huolin L.Xin, Anomalous metal segregation in lithium-rich material provides design rulesfor stable cathode in lithium-ion battery. Nature Communications, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41467-019-09248-0

　　https://www.nature.com/articles/s41467-019-09248-0

　　12. Nature Commun.：半固态前药纳米颗粒用于递送抗逆转录病毒药物和联合治疗HIV

　　据估计，全球目前感染人类免疫缺陷病毒(HIV)的人数为3670万。终生服用抗逆转录病毒(ARV)药物可通过抑制循环病毒载量使HIV成为一种慢性病，从而使生活接近正常；然而，每日口服药物也会导致耐药性等副作用的产生。因此，设计长效(LA)的、纳米级别的、难溶于水的抗逆转录病毒药物具有非常好的临床应用价值，其在被单次注射后的几个月时间内可以保持效用不变。约翰霍普金斯大学医学院Caren Freel Meyers教授团队和利物浦大学Steve P. Rannard教授团队设计了一种半固态前药纳米颗粒(SSPNs)用于递送高水溶性的核苷逆转录酶抑制剂(NRTI)恩曲他滨(FTC)。体内外的外推(IVIVE)模型证明了该体系可以实现持续的前药释放，并随后在相关的生物环境中被激活进行治疗。

　　Hobson,J.J., Meyers, C.F., Rannard, S.P. et al. Semi-solid prodrug nanoparticles for long-acting delivery of water-soluble antiretroviral drugs within combination HIV therapies. Nature Communications, 2019.

　　DOI: 10.1038/s41467-019-09354-z

　　https://doi.org/10.1038/s41467-019-09354-z

　　13. 吴成铁ACS Nano：仿葡萄籽的智能水凝胶支架用于黑色素瘤治疗和伤口愈合

　　葡萄籽提取物中含有丰富的黄酮类化合物和低聚原花青素(OPC)。受此启发，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁团队将含有OPC的水凝胶支架作为治疗黑色素瘤的天然光热试剂和用于创面愈合的生物活性材料。

　　这种水凝胶支架的流变特性可以对近红外(NIR)激光照射的功率密度、辐照时间和OPC含量做出响应。而不同的辐照时间也对水凝胶支架的压缩力学性能有一定的调节作用。在近红外激光照射下，含OPC的水凝胶支架可以诱导产生高温进而有效地杀灭黑色素瘤细胞，抑制肿瘤生长。此外，含有OPC水凝胶支架也可以支持人真皮成纤维细胞(HDFs)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的增殖和迁移，并在慢性伤口中明显促进血管生成和皮肤再生。这一研究开发的含OPC的水凝胶支架在近红外激光刺激下具有可控的光热、流变和压缩力学性能，对黑色素瘤治疗和创伤愈合具有良好的生物活性。

　　Ma, H.S., Wu, C.T. et al. Grape Seeds-Inspired Smart Hydrogel Scaffolds for Melanoma Therapy and Wound Healing. ACS Nano, 2019.

　　DOI: 10.1021/acsnano.8b09496

　　https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b09496

　　14. AEM：揭秘石榴石型固态电解质的短路机制

　　石榴石型固态电解质作为锂金属电池中最具前景的材料而被广泛研究。尽管无机固态电解质能够抑制枝晶生长已经成为了共识，但是石榴石型无机固态电解质的临界电流密度很低，常常会由于枝晶生长而突然短路。

　　在本文中，研究人员对石榴石型的LLCZN的短路机制进行了研究。他们发现，金属锂不是以树枝状从一个电极向另一个电极传播而是直接生长在无机固态电解质的内部。这可以归因于锂离子在晶界处与电子发生结合从而被还原为零价的金属锂从而导致电池发生短路。为了降低晶界处的电子电导，研究人员在LLCZN表面包覆了一层LiAlO2从而显著提高了临界电流密度。这些研究结果不仅明确了石榴石型无机固态电解质的短路机理，同时也为其进一步地结构设计和修饰提供了思路。

　　Yongli Song et al. Revealing the Short‐Circuiting Mechanism of Garnet‐Based Solid‐State Electrolyte. AdvancedEnergy Materials, 2019.

　　DOI: 10.1002/aenm.201900671

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201900671

　　15. AEM：解密泡沫石墨的储钾机理

　　嵌钾的石墨插层化合物（K-GICs）具有丰富的结构和优异的电化学性能，因而具有特殊的物理和化学意义。有关K+储存机制的基本观点、控制反应和结构重排的动力学/热力学因素等使得K-GICs具有所需的功能。在本文中，研究人员通过原位拉曼、原位XRD等原位手段与密度泛函理论相结合对实时的电化学嵌钾-脱钾及其结构-组分演变的过程进行了研究。实验结果与理论计算揭示了可逆的K-GICs演变过程：C ↔ 阶段 5 (KC60) ↔ 阶段 4 (KC48) ↔ 阶段 3 (KC36) ↔ 阶段 2 (KC24/KC16) ↔ 阶段 1 (KC8)。本研究有助于更好地了解石墨中K+的储存行为，为准确捕获石墨域长度尺度上电极相演变的不均匀性提供了无损技术基础，并为其他GIC的有效研究提供指导。

　　Jilei Liu et al. Unraveling thePotassium Storage Mechanism in Graphite Foam. Advanced Energy Materials, 2019.

　　DOI: 10.1002/aenm.201900579

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201900579

　　16.AFM：钙钛矿太阳能电池商业化：进展和挑战

　　在过去几年中，有机金属卤化物钙钛矿（OHPs）已成为光伏（PV）应用的明星材料。目前已经实现了高达23.7％的认证效率，这与大多数成熟的光伏技术相当。由于离子性质，它们具有良好的溶解性，可实现多种低温溶液工艺，包括刮刀涂布，槽模涂布等，其中大部分都是可扩展的，并且与卷对卷大规模制造工艺兼容。低成本，高效率和易于加工的特性使钙钛矿太阳能电池（PSC）成为极具竞争力的光伏技术。尽管目前取得了很大进展，但长期稳定性、材料和制造工艺的毒性问题以及缺乏用于制造高效大面积模块的稳健的高通量生产技术是其商业化的主要障碍。

　　近日，中国工程物理研究院张文华和郑霄家针对PSC商业化，发表长篇综述。该综述调查了近年来PSC商业化过程的研究进展，确定了从水动力特性和结晶热力学机制中升级高质量PSC；揭示了外部应力因素对PSCs稳定性的影响以及OHPs本身的内在不稳定机制；分析了PSC技术的环境影响和可持续发展。最后研究认为大规模生产PSC的战略和机会可以促进PSC向商业化的发展。

　　Wang, P. et al. Solution-Processable Perovskite Solar Cells toward Commercialization: Progress and Challenges. Advanced Functional Materials, 2019.

　　DOI: 10.1002/adfm.201807661

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201807661