Nature系列12篇，赵东元、张涛、李隽、陈红胜、张霜等成果速递丨顶刊日报20191009
1. Nat. Rev. Mater.：单胶束定向介孔材料的合成
通常使用表面活性剂模板化方法制备具有0至3D范围的多层结构的功能性介孔材料。在这些方法中，表面活性剂首先形成单个胶束或聚集的胶束，然后与前体或低聚物组装以在界面上形成有序的介孔结构。复旦大学赵东元、李晓民等人概述了单胶束结构的制备和介孔材料的单胶束定向合成，包括低维和3D介孔结构，以及由单胶束装配指导的分层和不对称介孔结构。
通过单胶束组装已经制备了多种结构，例如，单胶束多孔液体，单层中孔纳米片，单晶中孔纳米颗粒和Janus中孔纳米复合材料。使用诸如冷冻电子显微镜的显微技术，现在可以直接观察单个胶束。并且对单个胶束的形成过程，胶束的组装以及有序的介孔材料的理解更加深入。还讨论了由单胶束组装产生的多层，功能性介孔材料的局限性和未来的研究方向。
Single-micelle-directedsynthesis of mesoporous materials, Nature Reviews Materials (2019)
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0144-x
2. Nat. Mater.: 通过能量流的三维纳米级跟踪成像材料的功能
能量载体在原子和分子之间移动的能力是生化和物质功能的基础。但是，要了解和控制能量流，就需要以超小和超快的时空尺度进行观察，而能量和结构障碍阻碍了能量载体的命运。近日，加州大学伯克利分校Naomi S. Ginsberg 研究团队开发了一种非侵入式光学方案，该方案利用非共振干涉测量散射来跟踪由能量载体产生的材料极化率的微小变化。
研究人员在时空的四个维度上以几纳米的横向精度绘制了不断演变的能量载体分布，并将它们与材料形态直接相关。研究人员实现可视化多并苯，硅和钙钛矿半导体中的激子，电荷和热传输，并阐明无序如何在三个维度上影响能量流。例如，研究人员表明多晶金属卤化物钙钛矿中的形态边界具有横向和深度相关的电阻率，从而阻止了表面的横向传输，但没有阻挡整体载体。研究人员还将揭示在无序环境中解释能量传输的策略，这些策略将指导面向未来半导体行业的耐缺陷材料的设计。
Delor,M. Ginsberg, N.S. et al. Imaging material functionality through three-dimensionalnanoscale tracking of energy flow. Nature Materials 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0498-x
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0498-x
3. Nat. Mater.：光电化学中的纳米半导体/催化剂界面
在光电化学装置中使用的半导体结构（例如，薄膜，金属丝，颗粒）通常用纳米颗粒修饰，这些纳米颗粒催化燃料形成反应，包括水氧化，析氢或二氧化碳还原。为了获得高性能，纳米粒子催化剂必须与下面的吸光半导体形成电荷-载流子选择性接触，在阻止相反的载流子收集的同时，促进空穴或电子转移。尽管此类选择性接触在光电化学能量转换和存储中起着关键作用，但对底层纳米级界面的了解却很少，因为直接测量其性质非常困难，尤其是在操作条件下。
近日，俄勒冈大学Shannon W. Boettcher等使用n-Si/Ni光阳极模型系统和电势传感原子力显微镜，测量了界面电子转移过程，并绘制了在纳米半导体/催化剂界面上光电化学析氧过程中产生的光电压。作者发现在器件运作过程中，当周围的高势垒区域开发时，通过纳米级尺寸相关的夹断效应，可以增强低肖特基势垒n-Si/Ni接触孔的选择性。该工作证明了在实际的光电化学条件下进行接触性能的纳米级操作测量的能力，以及控制电子和空穴流经半导体/催化剂结的流量的设计原理，该原理与不同的光电化学装置相关。
ForrestA. L. Laskowski, Shannon W. Boettcher*, et al. Nanoscalesemiconductor/catalyst interfaces in photoelectrochemistry. Nat.Mater., 2019
DOI: 10.1038/s41563-019-0488-z
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0488-z
4. Nature Energy: 厉害！稳定性优异的低带隙锡-铅钙钛矿太阳能电池
低带隙的锡铅碘化钙钛矿是全钙钛矿串联太阳能电池的关键组成部分，但由于锡易于氧化，限制了其器件的稳定性。近日，美国国家可再生能源实验室MichaelD. McGehee研究团队使锡基钙钛矿避免与最流行的空穴层（PEDOT:PSS）接触发生反应，选择在铟锡氧化物-钙钛矿异质结处使用了向上的能带偏移来提取空穴。
为了抑制氧化降解，研究人员改善了形貌以形成致密且大颗粒的薄膜。锡含量保持在50％或以下，并用溅射的铟锌氧化物电极覆盖器件。这些进步导致低带隙钙钛矿太阳能电池中的热稳定性和环境稳定性得到显著改善，而又不影响效率。封装电池在湿热（85°C,相对湿度为85％RH）中放置1000 h，仍保持其初始效率的95％。在最大功率点附近和1个太阳光照射下运行超过1000 h时，仍可以保持其初始效率。
McGehee, M. D. etal. Design of low bandgap tin–lead halideperovskite solar cells to achieve thermal, atmospheric and operationalstability. Nature Energy 2019.
DOI: 10.1038/s41560-019-0471-6
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0471-6
5. Nat. Catal.：通过operando扫描隧道显微镜观察到费托催化剂的活性位点
在多相催化中，直接鉴定催化剂的活性位点仍然是一个主要问题。近日，慕尼黑大学Joost Wintterlin团队报道了利用operando扫描隧道显微镜观测到钴催化的费托合成反应的活性位点的研究。
作者在H2/CO气体混合物，压力为950 mbar，温度约为500K的条件下，对Co（0001）样品进行了实验。作者在相同的设备上，使用定制的气相色谱仪测量TOF；并通过溅射改变样品的单原子台阶密度。研究发现，费托反应活性随台阶密度而定，从而作者认为台阶为该反应的活性位点。此外，Co催化剂的活化与表面的粗糙化有关这一长期观念尚未得到证实，反应过程中并没有观察到表面变粗糙。
BernhardBöller, Joost Wintterlin,* et al. The active sites of a working Fischer–Tropsch catalyst revealed byoperando scanning tunnelling microscopy. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0360-1
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0360-1
6. Nat. Photon.：双各向同性介质中体电磁波的横向光子自旋
光子具有自旋自由度，它在各种应用（例如光通信，信息处理和传感）中起着重要作用。在各向同性介质中，光子自旋与光的传播方向对齐，遵循自旋动量锁定原理。有趣的是，远离界面衰减的表面波具有一个垂直于其传播的光子自旋，从而为在受限系统中观察自旋相关的激发提供了令人兴奋的机会。
近日，杭州电子科技大学Liang Peng、浙江大学陈红胜以及英国伯明翰大学张霜提出并在不依赖任何界面的情况下，在块状介质中实现了横向光子自旋（T-spin）。通过向介质中引入各向异性，研究人员显示了表面模式的T型自旋到整体模式的T自旋。进一步发现，两个方向相反的各向异性介质之间的界面支持具有可调截止频率的边沿传播模式。该结果为操纵电磁波的自旋轨道相互作用提供了一个新的平台。
Peng, L. Chen, H. Zhang, S. etal. Transverse photon spin of bulk electromagnetic waves in bianisotropicmedia. Nat. Photon. 2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0521-4
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0521-4
7. Nat. Photon.：压缩光注入宽带降低量子辐射压力噪声
海森堡不确定性原理指出，无法无限精确地知道物体的位置，因为物体的动量将完全不确定。然后，这种动量不确定性导致将来测量中的位置不确定性。当连续测量物体的位置时，这种量子效应（称为反作用）限制了可达到的精度。在音频带，干涉仪类型的重力波探测器中，这种反作用效应表现为量子辐射压力噪声（QRPN），并将最终（但尚未）限制灵敏度。
近日，澳大利亚国立大学MinJet Yap介绍了使用光的量子工程状态来直接操纵系统中的量子反作用，该系统在10–50 kHz范围内控制灵敏度。研究人员观察到量子背向噪声降低了1.2 dB。这个实验是实现QRPN降低以用于未来的干涉重力波探测器并提高其灵敏度的关键步骤。
Yap, M. et al. Broadbandreduction of quantum radiation pressure noise via squeezed light injection.Nat. Photon. 2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0527-y
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0527-y
8. Nat. Photon.：这个光谱仪不一般——薄膜铌酸锂的集成宽带光谱仪
光谱仪是研究与波长有关的光-物质相互作用的工具，广泛用于天文学，物理学和化学领域。当前体积庞大的光谱仪的集成和小型化将对紧凑和低复杂度至关重要的应用产生影响，例如空中和太空飞行任务。基于亚波长波导内部空间驻波的近场检测的高分辨率光谱原理已显示出实现上述某些要求的巨大希望。但是，基于此原理的小型设备由于驻波的欠采样而面临强大的带宽限制。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院DavidPohl研究团队演示了一个集成的单波导傅立叶变换光谱仪，该光谱仪在近波长和短波长红外中的工作带宽为500 nm，并且不依赖任何移动组件。该原型设备的占地面积小于10 mm2，利用薄膜铌酸锂的电光特性来检索完整的空间干涉图。
Pohl, D. et al. An integratedbroadband spectrometer on thin-film lithium niobate. Nat.Photon. 2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0529-9
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0529-9
9. Nature Physics：纳米管机电谐振器中的冷却和自激振荡
纳米机械谐振器非常巧妙地用于将机械运动耦合到其他自由度，例如光子，自旋和电子。机械本征模的运动可以使用光子有效地冷却到量子状态，但不能使用其他自由度。巴塞罗那科学和技术研究所W. Yang和A. Bachtold团队报道了一种使用电子进行冷却，放大和自激振荡的简单而有效的方法。
这是通过在稀释制冷机中通过悬浮的纳米管施加恒定（直流）电子电流来实现的。研究证明了冷却到4.6±±2.0量子振动。还观察到了自激振荡，这可能导致电子通过纳米管传输时出现明显的不稳定性。同时，将观察到的冷却和自激振荡的起因归因于电热效应。这项工作表明，电子可能成为将纳米级系统的机械振动冷却到量子状态的有用资源。
Cooling and self-oscillation in a nanotube electromechanicalresonator，Nature Physics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0682-6
10. Nature Physics：原子分辨率的振动光谱和电子碰撞散射
原子振动控制材料中的所有热激活过程，包括扩散，传热，相变和表面化学。尽管原子分辨分析是扫描透射电子显微镜（STEM）中的常规方法，但由于散射角仅为几个微弧度，因此采用振荡偶极子的振动光谱法可产生源自几十纳米大小的信号。
亚利桑那州立大学Peter A. Crozier团队报道了使用常规的同轴电子能量损失谱（EELS），存在非偶极碰撞散射振动信号，并且显示出原子分辨率。当电子探针跨Si样品中的单个原子柱扫描时，该同轴信号显示光谱峰形状和强度的变化。尽管相干弹性散射中的原子空间分辨率将使晶体光谱的定量解释变得复杂，但峰形的变化提供了可靠的证据，表明振动EELS激发过程高度局限。在无定形极性材料SiO2中也显示出高空间分辨率。该方法代表了一项重要的技术进步，它将为材料的局部热，弹性和动力学特性提供新的见解。
Vibrational spectroscopy atatomic resolution with electron impact scattering，Nature Physics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0675-5
11. Nat. Commun.: 掺杂铜的胶体量子点中声子瓶颈的观察
热电子可以极大地提高太阳能电池的效率，并使对能量要求很高的光化学反应敏感。通过电子-声子散射，典型半导体中热电子的亚皮秒级带内冷却已经阻碍了有效的热电子器件。预计半导体量子点将表现出热电子弛豫的“声子瓶颈”，因为它们的量子限制电子将非常低效地耦合到声子。然而，典型的硒化镉点仍表现出亚皮秒级的热电子冷却，可能通过俄歇式过程绕过了声子瓶颈，从而将过多的热电子能量转移到空穴中。
近日，中国科学院大连化学物理研究所KaifengWu证明了由于铜掺杂剂捕获的飞秒空穴，这种冷却机制可以在掺铜硒化镉胶体量子点中得到抑制。研究人员观察到1Pe热电子的寿命约为8.6皮秒，比相同尺寸的无掺杂点（约0.25皮秒）长30倍以上。
Wang,L. Wu, K. et al. Observation ofa phonon bottleneck in copper-doped colloidal quantum dots. Nat. Commun. 2019
DOI:10.1038/s41467-019-12558-y
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12558-y
12. Nat. Commun.：揭示pt1/Fe2O3单原子催化剂中Pt的配位结构与催化活性的关系
非均相单原子催化剂（SAC）研究领域的发展为从分子水平上厘清材料结构与性能的构关系提供了可能。目前，研究的难点在于调控单原子的配位结构的同时要避免单原子的扩散。针对这一问题，张涛院士、李隽教授和王爱琴研究员等开发了一种有效的合成方法来调控单原子的配位结构。
具体而言，作者通过使用乙二胺螯合Pt阳离子，然后通过在惰性气氛中快速加热处理（RTT）的方法去除乙二胺，成功实现通过调节RTT的温度对Fe2O3载体上的Pt单原子配位结构进行微调。研究结果表明，随着Pt-O配位数的降低，Pt的氧化态降低，进而实现创纪录的加氢活性，同时保持高的化学选择性。总而言之，本工作展示了单原子配位结构的可调性、氧化态和催化活性的关系，揭示了单原子催化剂作为异相和均相催化领域连接桥梁的独特作用。
YujingRen, Yan Tang, Leilei Zhang, Xiaoyan Liu, Lin Li, Shu Miao, Dang Sheng Su,Aiqin Wang, Jun Li & Tao Zhang.
Unravelingthe coordination structure-performance relationship in Pt1/Fe2O3 single-atomcatalyst. Nat.Commun., 2019, 10, 4500.
DOI:10.1038/s41467-019-12459-0
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12459-0