上海交大Science，北京大学Nature丨顶刊日报20200103

纳米人

2020-01-05

1. Science：首次实验实现，具有两个独立合成维度的单个光学腔

合成维度的概念为实现有效的规范势和拓扑物理学提供了多功能平台。近年来，从超冷原子物理学到光子学，合成维度引起了许多科学领域的关注。近日，斯坦福大学Shanhui Fan和上海交大Luqi Yuan等人首次在实验上实现，在单个光学腔内人工合成两个独立的物理维度。该系统由一个时间调制的环形谐振器组成，该谐振器在顺时针和逆时针模式之间具有空间耦合，沿着频率和伪自旋自由度为光子在环中传播创建了一个合成霍尔梯。研究人员还观察到光场等效磁规范势、拓扑单项边界流等物理现象，这些信号合成维度上得到明显体现。这样研究表明，利用合成维度的概念可以在简单的系统中研究高维物理，并未光场操纵提供了新的思路。

A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions，Science，2020 

DOI: 10.1126/science.aaz3071

https://science.sciencemag.org/content/367/6473/59

2. Nature：首次实现二维冰的边界和生长结构的高分辨成像

经过近百年的探索，人们已经发现了冰的18种晶相（三维冰相）。然而，冰在二维极限下是否能独立稳定存在？这个问题有很大的争议。近日，北京大学江颖，徐莉梅，王恩哥，美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成等通过精确控制温度和水压，成功在疏水的金衬底（Au(111)）上生长出了一种单晶二维冰结构，这种二维冰可以完全铺满衬底。二维冰的亚分子级分辨成像和理论计算表明，所有的氢键都被饱和，结构非常稳定，与衬底相互作用很弱，是一种本征的二维冰结构。该工作改变了一百多年来人们对冰相的传统认识，开启了探究二维冰家族系列的大门。(本文参考自北京大学国际量子材料中心官网)

RunzeMa, Duanyun Cao, Chongqin Zhu, Ye Tian, Xiao Cheng Zeng*, Li-Mei Xu*, En-GeWang,* Ying Jiang*, et al.Atomic imaging of the edge structure and growth of atwo-dimensional hexagonal ice. Nature, 2019

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1853-4

3. Nature: 铁电薄膜中迷宫结构域图案的逆转变

相分离是一个协同过程，其动力学为介观尺度上的畴结构的有序形态形成提供了基础。高度简并的冻结状态系统可能会出现罕见且违反直觉的逆对称破坏现象。阿肯色大学Y. Nahas团队研究发现，在亚临界淬火后，Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃超薄膜中铁电畴的非平衡自组装会导致形成迷宫或迷宫式图案，并具有曲折的条纹畴。此外，随着温度的升高，这种高度简并的迷宫相经历了逆转变，由此在高温下顺电开始之前，其转变为不太对称的平行条纹畴结构。

研究发现，该相序可归因于畴壁的熵增加，而畴域的拉直和粗化主要由拓扑缺陷的松弛和扩散驱动。BiFeO₃中逆偶极转变的计算模型和实验观察表明，该现象在铁电氧化物中具有普遍性。通过在铁电薄膜中实现根本上的新设计原理和拓扑上增强的功能，可以在当前领域和基于域壁的技术之外使用许多自构图状态及其所体现的各种拓扑缺陷。

Inversetransition of labyrinthine domain patterns in ferroelectric thin films，Nature，2020

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1845-4

4. Nature：AI技术辅助乳腺癌筛查

早期胸部肿瘤X射线透视法的目的是在疾病较早的阶段识别乳腺癌，以便更成功地进行治疗。尽管全世界都存在筛查程序，但乳房X线照片的解释受假阳性率和假阴性率的影响。于此，谷歌健康Scott MayerMcKinney、Daniel Tse和ShravyaShetty等人提出了一种人工智能（AI）系统，该系统能够在乳腺癌预测方面超越人类专家。为了评估其在临床环境中的性能，研究人员选择了来自英国的大型代表性数据集和来自美国的大型丰富数据集。

结果显示假阳性绝对减少了5.7%和1.2%（美国和英国），假阴性绝对减少了9.4%和2.7%。在对六位放射科医生的独立研究中，人工智能系统的表现优于所有人类解读者：人工智能系统的接收器工作特性曲线（AUC-ROC）下的面积比普通放射科医生的AUC-ROC大11.5%。对人工智能系统参与英国使用的双读过程进行了仿真模拟，结果发现AI系统保持了不逊色的性能并将工作量减少了88％。AI系统的强大评估为临床试验铺平了道路，以提高乳腺癌筛查的准确性和效率。

McKinney, S.M., Sieniek, M.,Godbole, V. et al. International evaluation of an AI systemfor breast cancer screening. Nature 577, 89–94 (2020) 

DOI: 10.1038/s41586-019-1799-6

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1799-6

5. Nature：卡介苗静脉注射预防猕猴结核病

结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，Mtb）是世界范围内感染致死的主要原因。唯一可用的疫苗卡介苗（Bacillus Calmette Guérin）是皮内接种的，对肺结核（肺结核是导致死亡和疾病传播的主要原因）有不同的疗效。近日，美国国立卫生研究院RobertA. Seder等研究人员，提出静脉注射卡介苗（BCG）可在猕猴中预防结核病。与皮内或气雾剂给药相比，静脉免疫在血液、脾脏、支气管肺泡灌洗液和肺淋巴结中诱导的CD4和CD8 T细胞应答明显增强。

此外，静脉免疫诱导了高频率的抗原反应性T细胞穿过所有肺实质组织。卡介苗接种6个月后，用强毒Mtb攻击猕猴。值得注意的是，在接受卡介苗静脉接种的猕猴中，每10只猕猴中有9只受到了高度保护，其中6只猕猴没有检测到感染水平，这是由正电子发射断层扫描成像、分枝杆菌生长、病理学和肉芽肿形成所决定的。静脉注射卡介苗预防或实质性限制高度敏感猕猴Mtb感染的发现，对疫苗的接种和临床发展具有重要意义，为确定疫苗诱导预防结核病的免疫相关性和机制提供了模型。

Patricia A. Darrah, Joseph J. Zeppa, PaulineMaiello, et al. Prevention of tuberculosis in macaques afterintravenous BCG immunization. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1817-8

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1817-8

6. Nature Commun.:二维极限下的晶界工程助力高性能氢析出反应

具有原子级别厚度的过渡金属二硫化合物在电催化领域吸引了诸多关注。到目前为止，人们已经广泛地研究了其边缘、掺杂的异质原子以及缺陷在氢析出反应中作为活性位点进行水的分解。然而，晶界这种在过渡金属二硫化合物中较为典型的缺陷结构的催化效应却因为其低密度和多变的形式而被忽略了。

在本文中，上海大学的Minghong Wu,新加坡南南洋理工大学的Qijie Wang、Zheng Liu以及西班牙加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所的JordiArbiol等人成功地合成了晶界密度高达10¹²cm^-2的原子级别厚度的过渡金属二硫化合物薄膜并对晶界的电催化效应进行了系统研究。他们利用微电化学测试发现这种纳米晶薄膜表现出优异的电催化性能，其起始电位为-25mV,Tafel斜率为54mV/dec。此外，他们还提出了一种爬升驱动0D/2D相互作用来解释这种富晶界薄膜在氢析出反应中的催化机制。

YongminHe, Minghong Wu, Qijie Wang, Zheng Liu, Jordi Arbiol et al, Engineering grainboundaries at the 2D limit for the hydrogen evolution reaction,Nature Communications, 2020

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13631-2?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+ncomms%2Frss%2Fcurrent+%28Nature+Communications+-+current%29

7. AM：Co掺杂Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O₆–_δ中CoFe合金纳米颗粒可逆脱溶/溶解的原位研究

金属纳米粒子在钙钛矿中的可逆析出和溶解是提高CO₂电解性能的有效策略。然而，目前关于金属纳米颗粒在钙钛矿中可逆的析出和溶解的基本认识仍然很少近日，中科院大连化物所汪国雄等人报道了通过原位X射线衍射、扫描透射电子显微镜、环境扫描SEM和密度泛函理论计算揭示的CoFe合金纳米颗粒在Co掺杂Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6–δ（SFMC）中的原位脱溶和溶解。在还原性气氛下，Co的易溶析出促进了Fe阳离子的还原，从而在SFMC中生成CoFe合金纳米颗粒，并在800℃下由双钙钛矿结构转变为层状钙钛矿。

在氧化气氛下，球形CoFe合金纳米颗粒首先被氧化成扁平的CoFeO_x纳米薄片，然后溶解到块体中，结构从层状钙钛矿变回双层钙钛矿。电化学上，由于CoFe合金纳米颗粒的再生能力，可以在12个氧化还原循环中恢复CO₂电解性能。通过还原法将CoFe合金纳米颗粒锚定在SFMC钙钛矿中，可以提高CO₂电解性能和稳定性。

HoufuLv, Le Lin, Xiaomin Zhang, Yuefeng Song, Hiroaki Matsumoto, Chaobin Zeng, NaTa, Wei Liu, Dunfeng Gao, Guoxiong Wang, Xinhe Bao. In Situ Investigation ofReversible Exsolution/Dissolution of CoFe Alloy Nanoparticles in a Co‐Doped Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O₆−_δ Cathode for CO₂ Electrolysis. Advanced Materials. 2020

DOI: 10.1002/adma.201906193

https://doi.org/10.1002/adma.201906193

8. AM：高性能波长可调紫外分区光电探测器中连续的2D硫化镓膜的缺陷控制

2D半导体由于其极大的的厚度相关性，在下一代电子和光电子领域展现出巨大的潜力。近日，来自牛津大学的Jamie H. Warner报道了一种化学气相沉积法用于厚度的调控，可制备均匀连续有缺陷的硫化镓（GaS）: GaS_0.87 与化学计量配比可调的GaS。用X射线光电子能谱分析GaS_0.87独特的降解机理，并拍摄了环形暗场扫描透射电子显微镜，结果表明GaS差的稳定性与弱的光信号与缺陷位的光诱导氧化密切相关。在激光和强的紫外光下，理想配比的GaS的稳定性得到了增强，此外通过控制GaS中的缺陷，可以将光响应范围从可见光调到紫外光，紫外分区。

理想配比的GaS适用在大规模且对紫外线敏感的高性能光电探测器阵列中，可以用于在大可见光噪声下的信息编码，响应时间短（<66 ms），具有出色的紫外光响应性（三层GaS为4.7 AW–1），与小带隙2D半导体相比，信噪比提高了26倍。通过从2D半导体中的原子级结构到大规模器件性能的全面研究分析，深刻阐释了缺陷的作用，被忽视的材料质量控制的重要性，以及如何提高器件性能的表现。层控制的缺陷GaS_0.87和化学计量理想配比的GaS都被证明是可用于研究新现象和新应用的理想平台。

YangLu, Jun Chen, Tongxin Chen, Yu Shu, Ren-Jie Chang, Yuewen Sheng, Viktoryia Shautsova, Nhlakanipho Mkhize, Philip Holdway, Harish Bhaskaran, andJamie H. Warner*. Advanced Materials. 2020.

DOI:10.1002/adma.201906958

https://doi.org/10.1002/adma.201906958

9. ACS Nano：不含氟的水性涂料，适用于环境友好、抗水性强、透气性好的纤维织物

防水透气膜(WBMs)同时具有环境友好性和高性能，具有广泛应用的潜力。然而，制造这样的材料仍然是一个艰巨的挑战。近日，东华大学丁彬、王先锋等研究人员，提出了一种简单且可扩展的策略，通过分步浸涂和热固化技术来制备无氟、高效且可生物降解的WBMs。含长烃链的超支化聚合物（ECO）涂层提供了高疏水性的电纺醋酸纤维素（CA）纤维基体，同时封闭的异氰酸酯交联剂（BIC）涂层保证了烃段在CA表面的强附着。该膜具有优良的综合性能，防水性为102.9 kpa，透气性为12.3 kg m^-2d^-1，拉伸强度为16.0 mpa，远优于以往报道的无氟纤维材料。此外，TCA膜在各种恶劣环境下都能保持疏水性。更重要的是，本策略被证明对其他几种亲水性纤维基质是普遍适用和有效的。这项工作不仅突出了材料的设计和制备，而且为环境友好、高性能的WBMs提供了广阔的应用前景。

Jing Zhao, Weixia Zhu, Xianfeng Wang, et al. Fluorine-Free Waterborne Coating forEnvironmentally Friendly, Robustly Water-Resistant, and Highly BreathableFibrous Textiles. ACS Nano, 2019.

DOI: 10.1021/acsnano.9b08595

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b08595