平滑石梳理：2020年第一季度中国学者在NS上发表的材料/化学类文章

随着我国疫情日益稳定，国内科研也逐渐开始进入常态。2020年第一季度，截至2020年4月1日，我国科研人员在三大CNS期刊上发表了56项研究成果，在生命科学、材料科学、化学等领域取得重大突破和进展。其中《细胞》9部，《自然》32部，《科学》15部。16中国科学院，6复旦大学，6清华大学，5浙江大学，4北京大学，3上海科技大学，3北京师范大学，2上海交通大学，2南京大学，2同济大学，2北京生命科学研究院(NIBS)，2中国科学技术大学。西湖大学、厦门大学、广西医科大学、香港大学、香港城市大学、中国农业大学、重庆大学、海军军医大学、中山大学、中国地质大学、xi交通大学、武汉大学、北京市疾病预防控制中心、湖南大学、山东农业大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、福建农林大学、北京高压研究中心。

在此，作者总结了近三个月来(截止2020年4月1日)中国科研人员在《科学与自然》杂志上发表的与材料和化学相关的文章(非综述类)。

化学催化

科学:甲烷氧化制甲醇过程中由原位过氧化物生成的疏水性沸石的改性

甲烷选择性氧化制甲醇效率低，一直是催化科学和工业中的难题。浙江大学肖凤寿教授和王良教授在《科学》杂志上发表了一篇题为“亲水性沸石改性用于甲烷氧化制甲醇过程中原位生成过氧化物”的文章。作者报道了一种非均相催化体系，通过在温和温度(70℃)下原位生成过氧化氢来提高甲烷氧化过程中甲醇的产率。该催化剂是通过将AuPd合金纳米粒子固定在硅酸铝沸石晶体中，并用有机硅烷对沸石外表面进行改性而合成的。硅烷可以将氢气、氧气和甲烷扩散到催化剂的活性部位，将生成的过氧化氢限制在活性部位，提高其反应的可能性。当甲烷转化率为17.3%时，甲醇选择性达到92%，相应的甲醇产率达到91.6毫摩尔/克AuPd小时。[1]

图1。aupd @ zsm-5-r和AuPd/ZSM-5催化剂的模型和透射电镜图像。

科学:用透射电子显微镜观察水分子在二氧化钛活性部位的反应

在分子水平上对反应成像可以为理解催化反应的机理提供直接的信息。浙江大学张泽院士和王勇教授、上海应用物理研究所高伟和数据传输单位雅各布·瓦格纳在《科学》杂志上发表了一篇题为“用透射电子显微镜观察H2O分子在二氧化钛活性位点的反应”的文章。作者采用原位环境透射电子显微镜和纳米锐钛矿型二氧化钛作为催化剂。氧化钛表面为001型结构，并进行重构。每四个晶格都有一个凸起，只有凸起才是催化剂的活性位点，从而实现对催化剂表面水分子分离和反应的实时监测。观察到吸附水的双重突起。在水煤气变换反应过程中，这些结构在分子水平上发生了动态变化。[2]

图2。氧化钛(001)表面原子结构的反应动力学

材料制备

自然:二维六边形冰的边缘结构和生长的原子成像

约束条件下的地表水冰层和低维冰的形成和增长是经常发生的。二维(2D)冰被广泛报道在金属、绝缘表面、石墨和石墨烯上，并且在强约束下就是一个例子。虽然研究人员已经发现了冰的18个结晶相(三维冰相)，但是由于它们的脆弱性和寿命短，捕捉2D冰生长中涉及的亚稳态或中间边缘结构并揭示其潜在的生长机制是非常具有挑战性的。最近，北京大学的、许、王恩革和内布拉斯加-林肯大学的曾通过精确控制温度和水压，成功地在疏水性金基底(Au(111))上生长出单晶二维冰结构，可以完全覆盖基底。这项工作改变了人们100多年来对冰相的传统认识，打开了探索二维冰族系列的大门，为低维、有限条件下冰的形态和生长提供了全新的形象。同时，二维冰在许多应用领域具有潜在的意义。结果表明，在二维六方晶体中，锯齿形边缘与扶手椅型边缘共存，锯齿形边缘在生长过程中被冻结，以识别中间边缘结构。结合模拟，这些实验可以重建生长过程，包括向现有边缘添加水分子，以及在锯齿边缘的情况下集体桥接机制。相反，扶手椅型边缘的生长涉及局部播种和边缘重建，因此与传统的双层六边形冰和二维六边形材料生长的观点形成对比。[3]

图3。实验装置和二维双层冰的扫描隧道显微镜和原子力显微镜图像。

自然:一种超光滑石墨烯薄膜的化学气相沉积制备方法

化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜具有不同寻常的物理和化学性质，有望应用于柔性电子器件和高频晶体管。然而，在生长过程中总是会形成褶皱，由于与衬底的强耦合，限制了薄膜的大规模均匀性。南京大学高立波教授的研究小组在《自然》杂志上发表了一篇题为“质子辅助生长超平坦石墨烯薄膜”的论文。作者开发了一种质子辅助化学气相沉积方法来生长无皱超平坦石墨烯薄膜。质子辅助化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜应能在很大程度上保持其固有性质，该方法应易于推广到应变和掺杂工程中的其他纳米材料。[4]

图4。石墨烯褶皱形成及避免示意图

性质:非范德瓦尔斯固体转变为二维过渡金属硫属化合物

虽然二维原子层，例如过渡金属硫属化物，已经通过剥离和气相生长技术广泛合成，但是获得二维相控结构仍然是一个挑战。杨树斌的研究团队来自北航空和普利克尔姆。莱斯大学的Ajayan在《自然》杂志上发表了一篇文章。名为“非范德华固体向二维过渡金属硫族化合物的转化”的方法也可用于合成杂原子掺杂的过渡金属硫族化合物，从而为工程选择二维相控过渡金属硫族化合物结构提供了一种通用的合成方法，该结构在高温下具有良好的稳定性，可实现单层的高通量生产。作者预测这些二维过渡金属硫属化合物将在电子、催化和储能领域得到广泛应用。[5]

图5。从非范德瓦尔斯固体到二维范德瓦尔斯过渡金属硫属化物转变示意图

自然:二维范德瓦尔斯异质结构阵列的通用综合策略

二维范德瓦尔斯异质结构引起了广泛的关注。到目前为止，大部分vdWH都是通过费力的机械剥离和人工重新堆叠实现的。虽然这个过程对于基础研究和概念验证来说是通用的，但是对于实际的技术应用来说显然是不可扩展的。为了探索vdWH的实际应用潜力，需要可靠、可扩展地合成vdWH阵列，并精确控制其化学组成、电子特性和空之间的位置，这仍然是该领域的一个挑战。本研究报道了过渡金属二卤化物(m-TMDs)和半导体TMD(s-TMDs)之间二维vdWH阵列的一般合成策略。最近，湖南大学的段教授和加州大学洛杉矶分校的段教授在《自然》杂志上发表了文章。通过对单层或双层s-TMD上的成核位置进行选择性构图，作者研究了各种M-TMD的成核和生长可以精确地控制在空之间的预定位置，具有可设计的周期性排列和可调节的横向尺寸，从而产生一系列vdWH阵列。包括VSe2/WSe2、NiTe2/WSe2、CoTe2/WSe2、NbTe2/WSe2、VS2/ WSe2、VSe2/MoS2和VSe2/WS2。系统的扫描透射电镜研究表明，近理想的vdW界面具有广泛可调的莫尔超晶格。实现了过渡金属二卤化物(m-TMDs)和半导体TMD(s-TMDs)之间二维vdWH阵列的通用合成策略。

图6。异质结生长过程示意图[6]

能源章节

性质:高瞬时功率密度的液滴发生器

人们已经做了大量的努力，以雨、河流、波浪和潮汐的形式从水中获得能量。然而，实现高密度发电具有挑战性。传统水力发电主要采用电磁发电机，笨重、效率低、供水不足。香港城市大学的王祖安凯教授、美国内布拉斯加大学林肯分校的曾程潇教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王忠林院士合作开发了一种装置。该装置的结构包括氧化铟锡衬底、铝电极和聚四氟乙烯薄膜，可以从冲击水滴中获得能量。将传统的界面效应转化为体效应，使瞬时功率密度比受界面效应限制的等效器件高几个数量级。[7]

图7。DEG的设计

金属材料制品

性质:超细晶粒金属的高压强化

金属的强度会随着颗粒尺寸的减小而增加。据报道，当临界粒径约为10至15纳米时，这种关系将被打破。当晶粒尺寸减小到超过这一点时，变形的主导机制从位错介导过程转变为晶界滑动，导致材料软化。在以前的方法中，晶界通过弛豫和钼偏析来稳定，以防止晶粒尺寸小于10纳米的镍钼合金中的这种软化效应。用金刚石砧芯和x光衍射仪研究了不同平均晶粒尺寸纯镍试样的屈服应力和变形织构。进一步研究了超细晶粒纯金属材料的强度与尺寸之间的关系，为今后超强纳米金属的发展提供了重要指导。模拟和透射电镜显示，晶粒尺寸为3 nm的镍中观察到的高强度是由部分和全部位错硬化和晶界塑性抑制的强化机制叠加引起的。这些见解有助于通过材料工程对超强金属的持续研究。[8]

图8。不同晶粒尺寸镍织构变化的反极图

其他的

性质:超高压透明铁电晶体

从光声成像传感器到触觉应用的透明致动器，透明压电材料是许多混合超声光学器件的理想材料。然而，由于大多数高性能压电材料是具有高密度光散射畴壁的铁电材料，因此同时实现高电压和完全透明是具有挑战性的。Xi交通大学的徐卓和李飞以及宾夕法尼亚州立大学的陈龙青在《自然》杂志上联合发表了一篇文章。结合相场模拟和实验，作者给出了一种相对简单的方法。该方法利用交流电场设计出初始不透明的菱面体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN- PT)晶体，可以同时产生近乎完美的透明性、超高的电压系数d33、优异的机电耦合系数k33和较大的电光系数γ33，远远超过常用的透明铁电晶体LiNbO3。这挑战了减小畴尺寸将总是导致更高的压电性的传统观念。这项工作为实现铁电工程中的高透明性和压电性提供了一个范例，这项研究有望成为各种混合器件的应用之路，如医学成像、自能采集触摸屏和隐形机器人设备。

图9。PMN-28pt水晶照片对比