十次组团发25篇Science/Nature，是巧合，还是一种更高级的科研合作模式？

南方

2020-04-20

导读：从历年诺奖获奖人数来看，科研合作已经是国际科学界的大势所趋。传统的科研合作，往往是多个课题组各取所长，共同攻关。近年来，我们多次发现了一种现象，那就是多个课题组各自独立攻关同一个项目，然后同时发布成果。这是一种巧合，还是一种更高级的科研合作模式呢？

有鉴于此，我们简要总结了2017年底以来，Science和Nature杂志上1天内同时发表多篇同主题文章的10次重要成果，希望对大家有所启发。

1. Nature四连击：DNA纳米结构自组装到底有多火？

从蛋白分子折叠和脂质双层的形成，以至于地球整个生物系统的构建，自组装无处不在。为了模仿生物系统的复杂性和功能性，在自组装构建人工三维纳米结构这件事上，科学家从来没有懈怠过。DNA是生物自组装的典型，它具有编程性，稳定，和其他生物分子兼容性好。通过编程设计，可以自组装成不同的形状，但是目标物的尺寸较小，组装产量不高。最近，科学家发现了一系列策略，终于突破了DNA三微纳米结构自组装在尺寸和产量上的限制。

Tikhomirov等人利用表面图案化的方形DNA折纸作为基本构筑单元，构筑了宽度达到0.5 μm的2D DNA折纸。研究人员开发了一种分形几何方法，局域的组装规则以递归方式应用到多级次多步骤组装在过程中，从而得到微米尺度的组装体。通过编程软件，他们甚至可以组装成蒙娜丽莎的形状。

Wagenbauer等人利用另一种多级次自组装方法，实现了微米尺度3D DNA折纸纳米结构的自组装。研究人员利用V形DNA折纸作为基本构筑单元，其中，V的角度是可以调整变化的。通过控制构筑单元之间的几何形状和相互作用，可以构建更高级次的组装体。

Ong等人开发了一种3D SST DNA结构的微米尺度自组装策略。通过扩展第一代SST系统的原则，研究人员开发了一种砖形DNA构筑单元，含有52个核苷酸，包括4组13-核苷酸结合位。这些结合位为组装成更大尺寸的三维结构提供了便利。

Praetorius等人则报道了利用病毒来制备单链前驱体DNA。每个DNA含有成百上千个序列，这些序列被DNA酶剪开，然后组装成3D折纸纳米结构。研究人员以病毒替代DNA，将DNA折纸成本从200美元/mg降低到20美分/mg，为DNA折纸的量产提供了保障。

1. Fei Zhang and HaoYan. DNA self-assembly scaled up. Nature 2017.

2. Tikhomirov, G. et al.Nature 552, 67–71 (2017).

3. Wagenbauer, K. F. etal. Nature 552, 78–83 (2017).

4. Ong, L. L. et al.Nature 552, 72–77 (2017).

5. Praetorius, F. et al.Nature 552, 84–87 (2017).

2. Science背靠背：兰州大学王为、北大孙俊良和Yaghi共谱COF新篇章！

作为一种晶态共价有机框架化合物，COF自问世以来就备受关注。由于其精确结构、多孔特征以及限域空间等特点，COFs在气体吸附、催化、传感、储能等领域表现出广泛的应用前景。2018年7月6日，Science背靠背在线发表了2篇COF相关研究成果。

一篇是由美国西北大学WilliamR. Dichtel课题组发表，报道了一种晶种生长微米级单晶二维COFs的新策略。另一篇是则是由兰州大学王为教授、北京大学孙俊良教授以及加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi教授合作发表的关于单晶COF控制生长和单晶结构解析的重大研究成果，他们利用强亚胺键控制合成大尺寸单晶COF，并获得了COF单晶XRD数据，实现了原子尺度精确结构解析。

1. Tianqiong Ma, EugeneA. Kapustin, Wei Wang, Junliang Sun, Omar M. Yaghi et al. Single-crystal x-raydiffraction structures of covalent organic frameworks. Science 2018, 361,48-52.

http://science.sciencemag.org/content/361/6397/48.full

2. Austin M. Evans,William R. Dichtel et al. Seeded growth of single-crystal two-dimensionalcovalent organic frameworks. Science 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/06/20/science.aar7883

3. Nature三连击：二维材料这是要扭上天啊！

二维范德华材料的分离和堆叠为制备量子材料带来了全新的突破，两个垂直堆叠的单层半导体形成的范德华异质结构中，晶格失配或魔角旋转会产生面内莫尔超晶格。人们普遍认为，莫尔超晶格可以调制材料的电子能带结构，产生新的量子现象并引发非常规超导和Mott绝缘体状态。然而，莫尔超晶格对光学性质的影响的一系列预测尚未通过实验得到验证。2019年2月26日，Nature杂志连续刊发3篇研究长文，同步报道了美国多个课题组首次、独立、从实验上观测到二维异质结中存在莫尔激子态的研究成果，为二维异质结大规模进入纳米光子学和量子信息的世界奠定了基础。

3篇文章分别来自：

1）美国德州大学奥斯丁分校Xiaoqin Li团队和美国阿贡国家实验室Fengcheng Wu团队；

2）美国华盛顿大学Xiaodong Xu团队和香港大学Wang Yao团队；

3）美国加州大学伯克利分校Feng Wang团队。

1. KhaTran, Galan Moody,Fengcheng Wu, Xiaoqin Li et al. Evidence for moiré excitonsin van der Waalsheterostructures. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0975-z

2. KyleL. Seyler,Pasqual Rivera,Wang Yao, Xiaodong Xu et al. Signatures ofmoiré-trapped valleyexcitons in MoSe2/WSe2 heterobilayers. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0957-1#auth-8

3. ChenhaoJin, Emma C.Regan, Feng Wang et al. Observation of moiré excitons inWSe2/WS2heterostructure superlattices. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0976-y

4. Science三连击：拓扑绝缘体再获系列突破！

拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的新型量子材料。拓扑绝缘体有其他绝缘体所不具备的特殊性质，根据理论预测，三维拓扑绝缘体与超导体的界面上的vortex core中将会形成零能majorana 费米子，这一特点有可能实现拓扑量子计算。由于拓扑绝缘体的独特性质，及其在设计新材料、开发新器件，以及实现量子计算机等方面的广阔前景，近年来备受关注。2018年11月23日，最新一期的Science杂志连续发表了3篇拓扑绝缘体相关工作。其中两篇Science都是关于门控电压实现拓扑绝缘体到超导体的转变，另一篇Science是关于安德森拓扑绝缘体的研究。

第一篇文章来自加拿大英属哥伦比亚大学Joshua A.Folk和美国华盛顿大学David H. Cobden团队。这二篇文章来自美国麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和Sanfeng Wu团队。两个团队同时独立地发现了通过静电调控，施加门控电压，可以实现单层二维WTe₂从拓扑绝缘相到超导相的转变。临界温度接近1K。

第三篇文章来自伊利诺伊大学香槟分校Taylor L.Hughes、Bryce Gadway和巴塞罗那科技学院 PietroMassignan团队。这项研究成果却发现，在平凡拓扑的超冷Rb原子形成的一维晶格中引入无序波动，却观察到非平凡拓扑的一维手性对称原子线。随着无序波动强大到一定程度，原子线又回到平凡拓扑态。

1.http://science.sciencemag.org/content/362/6417/922

2. http://science.sciencemag.org/content/362/6417/926

3.http://science.sciencemag.org/content/362/6417/929

5. Nature背靠背：把拓扑材料一网打尽！

拓扑材料已经吸引了物理学家们探索多年，在大数据的帮助下，拓扑物理学领域正在迎来它的爆发！2018年，研究人员首次系统搜索了整个材料数据库，以寻找具有拓扑状态的材料。研究结果表明，自然界中至少24%的材料可能都具有拓扑结构。几个不同的研究小组分别在arxiv.org上公布了他们的最新研究成果。研究者开发了根据材料的化学性质和对称性来计算其拓扑属性的算法，基于这种算法，他们研究了上万种材料并根据拓扑属性将其分类。2019年2月27日，南京大学万贤纲团队、中科院物理所方辰、翁红明团队同时、独立地报道了通过大数据和算法，预测上千种新型拓扑材料的研究成果。

万贤纲团队在所有230个可能空间群中的所有合适的非磁性化合物总，搜索了数以千计的候选拓扑材料。重点突出了241个拓扑绝缘体和142个拓扑结晶绝缘体，这些绝缘体具有明显的全带隙或相当大的直接间隙。列出了692个在费米能级附近具有的交叉点的拓扑半金属，这些材料开辟了在下一代电子设备中使用拓扑材料的可能性。

方辰、翁红明团队发展了一种有效，高效和全自动的算法，可以预测大部分非磁性材料中的非平庸拓扑。在晶体数据库中扫描了总共39,519种材料，发现其中多达8056种重要拓扑材料，所有结果均可在具有交互式用户界面的数据库中搜索。

1. Feng Tang, XiangangWan et al. Comprehensive search for topological materials usingsymmetryindicators. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0937-5

2. Tiantian Zhang, YiJiang,Zhida Song, Hongming Weng & Chen Fang et al. Catalogue oftopologicalelectronic materials. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0944-6

6. Nature背靠背：钙钛矿LED新纪录！

一提到钙钛矿，很多人就会首先想到如日中天的钙钛矿太阳能电池。却不知，作为当前最热门的明星材料，钙钛矿不仅能拿来发电，还能拿来发光！钙钛矿因制备成本低、可溶液法制备、荧光量子效率（PLQY）高、色纯度高且颜色可调等特性，在平面显示和固体照明领域也极具潜力。2018年10月11日凌晨，Nature以背靠背的形式在线发布了2篇来自中国科学家的重要成果，突破效率极限，打破世界纪录，钙钛矿LED领域实现里程碑突破！

一篇来自华侨大学魏展画教授、新加坡南洋理工大学熊启华教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授的科研团队。他们报道了一种LED外量子效率（EQE）超过20%的钙钛矿LED，工作寿命（T50）超过100h！另一篇来自南京工业大学王建浦和黄维团队，他们同样报道了一种外量子效率（EQE）超过20%的钙钛矿LED，能量转化效率高达12%。

1. Kebin Lin, Edward H.Sargent, Qihua Xiong,Zhanhua Wei et al. Perovskite light-emitting diodes withexternal quantumefficiency exceeding 20 per cent. Nature 2018, 562, 245–248.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0575-3

2. Yu Cao, Nana Wang, HeTian, Jingshu Guo, Jianpu Wang, Wei Huang etal. Perovskite light-emittingdiodes based on spontaneously formedsubmicrometre-scale structures. Nature2018, 562, 249–253.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0576-2

7. Nature背靠背：白光钙钛矿新突破！

钙钛矿发光二极管吸引了越来越多的关注，在华侨大学和南京工业大学同期发表2篇Nature之后不久，2018年11月8日，Nature再次同期在线发布了2篇钙钛矿发光的重要成果。

其中一篇来自华中科技大学，他们通过Na掺杂，发展了一种稳定发白光的无铅合金化双钙钛矿Cs₂(Ag_0.60Na_0.40)InCl₆。合金化双钙钛矿量子效率86±5%，稳定工作1000 h以上，光致发光效率比单纯的Cs2AgInCl6高3个数量级。发现这种优异的发光性能来源于处于激发态的AgCl6八面体的Jahn–Teller扭曲。

另一篇来自苏黎世联邦理工学院GabrieleRainò，Maksym V. Kovalenko, ThiloStöferle团队，他们实现了卤化铅钙钛矿纳米晶(CsPbX₃,X=Cl, Br)自组装成三维超晶格，发现了钙钛矿超晶格能够发射超级荧光。

1. Jiajun Luo, XiaomingWang, Shunran Li, JingLiu, Yanfa Yan, Jiang Tang et al. Efficient and stableemission of warm-whitelight from lead-free halide double perovskites. Nature, 2018.

2. Gabriele Rainò, M. A.Becker, Maksym V.Kovalenko, Thilo Stöferle et al. Superfluorescence from leadhalide perovskitequantum dot superlattices. Nature, 2018.

8. Science三连击：导热新霸主，硼化砷！

电子器件和光电器件产生的高密度热量是其应用中的关键瓶颈。需要新的高导热材料来有效地散热，从而增强功率控制、固态照明、通信和安全系统的性能。2018年7月5日，包括MIT和UCLA在内的美国十所顶尖高校发现了硼化砷超高热导性，在Science同时发表3篇文章，其中2篇文章的通讯作者陈刚和胡永杰还是师徒关系。研究表明，硼化砷颠覆了超晶格热导率的传统理论，是第一个已知具有超高导热性的半导体。

David Broido、Li Shi、Gang Chen、Zhifeng Ren团队发现，体相硼化砷（BA）晶体的平均体积值达到900 W m^-1 K^-1，室温下热导率超过1000 W m^-1 K^-1。高数值表明需要用更高阶的声子过程来解释，其中硼和砷是轻质和重质元素，这些与传统理论（超晶格热导率只能出现在由强键合轻元素组成的晶体中，并且受到非谐振三阶声子过程的限制）相反。

胡永杰团队首次实验合成无缺陷的单晶复合物砷化硼，观测到砷化硼室温下热导率为1300W/mK，比已知任何金属和半导体材料都具有更高的热导值。结合光谱学和原子理论进行研究，揭示了单晶BA具有比其他金属和半导体更好的导热性能的原因，即其独特的能带结构允许非常长的声子平均自由路径和强大的高阶非谐性来通过四声子过程。

David G.Cahill、Bing Lv团队通过改进的化学气相传输技术生长立方砷化硼的实验中发现该材料室温下具有超高的导热率1000±90 W/m/K，其值比碳化硅高3倍，并且超过金刚石和石墨的基面值。

1. Unusual high thermalconductivity in boron arsenide bulkcrystals

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/03/science.aat7932?rss=1

2. Experimentalobservation of high thermal conductivity in boron arsenide

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/03/science.aat5522?rss=1

3. High thermalconductivity in cubic boron arsenide crystals

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/03/science.aat8982?rss=1

9. Nature背靠背：石墨烯纳米带拓扑能带调控！

传说，有了马约拉纳费米子，理论上就可以做拓扑量子计算，就可以造量子计算机，电脑的速度就会呈指数增加。而马约拉纳费米子的一种实现方式，就是通过拓扑材料，包括绝缘体或拓扑超导体。

2018年8月8日，Nature连刊两文，分别报道了来自美国加州大学伯克利分校Steven G. Louie, Michael F. Crommie, Felix R. Fischer团队，和来自瑞士联邦材料科学与技术实验室Oliver Gröning团队的独立成果：以分子级前驱体，从实验上制备得到原子尺度精确的石墨烯纳米带，从而进行拓扑态或拓扑能带结构的调控。

Steven G. Louie等团队发展了一种精巧的实验策略，在高真空条件下，在Au(111)单晶表面沉积以原子尺度精确方式控制生长一维石墨烯纳米带超晶格，拓扑能带结构可以得到调控。OliverGröning等团队以分子前驱体组装得到原子尺度精确的石墨烯纳米带，表现出SSH理论模型中预测的价电子结构，发现石墨烯纳米带连接处的拓扑边界态存在可控的周期性偶联。

1. DanielJ. Rizzo,Gregory Veber, Ting Cao, Steven G. Louie, Michael F. Crommie, FelixR. Fischeret al. Topological band engineering of graphene nanoribbons. Nature2018, 560,204–208.

2. OliverGröning,Shiyong Wang, Xuelin Yao et al. Engineering of robust topologicalquantum phasesin graphene nanoribbons. Nature 2018, 560, 209–213.

10. Science背靠背：在石墨烯中发现量子流体！

早在1963年，科学家就假定存在一种电子流动形成的量子流体：这种量子流体来源于导电材料中的电子彼此之间的强烈相互作用，电子可以在比人类头发宽度短一百倍的尺度上像水一样流动。

2019年4月12日，Science连刊2篇文章，报道了石墨烯中发现量子流体的最新成果，这是魔角石墨烯之后，石墨烯领域迎来的又一重大突破！曼彻斯特大学A. K. Geim（石墨烯诺奖得主）、D. A. Bandurin团队以及加州大学伯克利分校Feng Wang团队在Science发表文章，分别独立报道了在石墨烯中实验观测到二维电子流体的现象，实验揭示了在水中无法观察到的量子流体流动，可能会产生新的量子材料和电子学。

加州大学伯克利分校Feng Wang团队专注于在磁场存在下石墨烯中的电子流体，他们在垂直于石墨烯原子层的方向施加磁场，由于磁场倾向于以相同的方式（例如，顺时针方向）旋转所有移动的带电电子，所以奇偶校验对称性被破坏。研究发现，磁场在石墨烯电子流体中引起霍尔粘度的不寻常现象，违反流体动力学中常规经验，证实了之前的理论预测。

在石墨烯中，电子和空穴形成等离子体，曼彻斯特大学A. K. Geim（石墨烯诺奖得主）、D. A. Bandurin团队研究了这种电子空穴等离子体与光的相互作用。他们发现电子散射相对于电子-晶格散射的增强是产生电子流体所必需的，证实了理论预测。他们还证实，电子散射率遵循量子临界行为，就像许多非费米液体的“奇异金属”一样，散射率由温度和自然的基本常数决定。

1. Patrick Gallagher,Feng Wang  et al.Quantum-criticalconductivity of the Dirac fluid in graphene. Science 2019, 364,158-162.

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/158

2. A. I. Berdyugin, S.G. Xu, A. K. Geim, D. A. Bandurin et al. Measuring Hallviscosity of graphene’selectron fluid. Science 2019, 364, 162-165.

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/162

总结

合则两利，斗则两伤。抢着发表，不如一起发表。看到这里，你是不是也在想，确实是要合作才行啊！可是，怎么才能寻求合作呢？