《自然》《科学》一周(7.9-7.15)材料科学前沿要闻

1. 用于高产率环境稳定单分子层器件的金属纳米粒子接触

材料名称：金属纳米粒子

研究团队：瑞士 IBM 苏黎世实验室 Gabriel Puebla-Hellmann 研究组

原标题：Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices

想要实现用于电子应用、光发射或感测的分子的固有功能，需要与这些分子的可靠电接触。自组装的由单层（SAM）组成的夹层结构是有利于技术应用的，但是需要非破坏性的顶部接触制造方法。已有的各种方法，包含从直接金属蒸发到聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）或石墨烯夹层到金属转移印刷。然而，在不损害薄膜完整性、内在功能或大规模制造兼容性的情况下，尚不可能制造基于 SAM 的器件。Puebla-Hellmann 等人开发了一种基于 SAM 的器件的顶部接触方法，通过利用金属纳米粒子可以为各个分子提供可靠的电接触这一事实，同时解决了所有问题。该制造步骤首先包括将一层金属纳米颗粒直接共形和非破坏性地沉积在 SAM 上（其本身横向约束在介电基质中的圆形孔内，直径范围为 60 纳米至 70 微米），然后通过直接金属蒸发对顶部接触进行加固。该方法能够制造数千个相同的、环境稳定的金属-分子-金属器件。SAM 组成的系统变化表明，固有的分子特性不受纳米颗粒层和后来的顶部金属化的影响。Puebla-Hellmann 等人提出的这一概念通常针对配有两个锚定基团的密集分子层，并为分子化合物大规模整合到固态器件提供了一条途径（可以缩小到单分子水平）。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0275-z）

2. 无金属的三维钙钛矿铁电体

材料名称：MDABCO-NH4I3

研究团队：中国东南大学熊仁根研究组

原标题：Metal-free three-dimensional perovskite ferroelectrics

无机钙钛矿铁电体由于其优异的铁电性和其它性质而广泛用于非易失性存储元件、电容器和传感器中。但有机铁电体因其机械柔韧性、低重量、环境友好的加工和低加工温度则是理想的选择。虽然自第一个铁电 Rochelle 盐以来已经过去了近一个世纪，但仍缺乏高度理想的有机钙钛矿铁电体的例子。Ye 等人发现了一族具有特征三维结构的无金属有机钙钛矿铁电体，其中 MDABCO(N-甲基-N'-二氮杂双环[2.2.2]辛铵)-NH4I3具有22μC/cm2的自发极化[接近钛酸钡(BTO)]，448 K 的高相变温度（高于 BTO），以及八个可能的极化方向。这些属性使其在柔性设备、软机器人、生物医学设备和其他应用中具有吸引力。（Science DOI: 10.1126/science.aas9330）

3. 一种用于高效稳定的钙钛矿太阳能电池的芴截端的空穴传输材料

材料名称：芴截端的空穴传输材料

研究团队：韩国化学技术研究所（KRICT） Jaemin Lee 和 Jangwon Seo 研究组

原标题：A fluorene-terminated hole-transporting material for highly

efficient and stable perovskite solar cells

钙钛矿太阳能电池（PSC）如果要商业化，需要具备高效率和良好的长期稳定性。其中至关重要的是，对钙钛矿和空穴传输材料之间能级匹配的精细优化，从而获得更好的性能。Jeon 等人合成了一种具有微调能级和高玻璃化转变温度的芴截端的空穴传输材料，能够确保 PSC 的高效和热稳定。并使用这种材料制了造效率达 23.2％的光伏器件（在反向扫描下），其中对于小面积（~0.094 cm2）电池，稳态效率为 22.85％，对于大面积（~1 cm2）电池，效率为 21.7％（在反向扫描下）。而且还实现了 22.6％（小面积电池，~0.094 cm2）和 20.9％（大面积，~1 cm2）的认证效率。所得器件显示出比具有 spiro-OMeTAD 的器件更好的热稳定性，在 60℃热退火后超过 500 小时仍保持了其初始性能的近 95％。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0200-6）

4. 用于将氮还原成氨的催化剂

材料名称：氮还原催化剂

研究团队：美国阿肯色大学 Julie N. Renner 和 Lauren F. Greenlee 研究组

原标题：Catalysts for nitrogen reduction to ammonia

合成氨的生产至今仍然依赖于能源和资本密集型的 Haber-Bosch 工艺。分子催化方面的广泛研究表明，尽管生产率很低，但由二氮产生氨是可行的。通过对分子催化剂结构的研究以及对天然存在的固氮酶的理解，使得对二氮还原成氨的机理性理解得以进一步深入。如何通过稳健的多相催化剂表面向 Haber-Bosch 替代选择过渡，仍是一个未解决的研究挑战。由于将二氮化物电化学还原为氨的催化剂有可能与 Haber-Bosch 工艺竞争并减少相关的二氧化碳排放，因此这种催化剂是研究的一个特定重点。但迄今为止进展有限，因为大多数电催化剂表面缺乏对固氮的特异性。Foster 等人讨论了该领域在固氮酶和分子催化剂促进氨合成方面机制理解上的进展，并回顾了非均相电催化剂的现状和科学需求。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0092-7）

5. 石墨烯量子点可预防帕金森病中的α-突触核蛋白病

材料名称：石墨烯量子点

研究团队：美国约翰霍普金斯大学医学院 Byung Hee Hong 和 Han Seok Ko 研究组

原标题：Graphene quantum dots prevent α-synucleinopathy in Parkinson’s disease

虽然最新的证据表明帕金森病的发病机制与中脑中α-突触核蛋白（α-syn）聚集体的积累和传递密切相关，但在临床上还没有能够成功治疗该疾病抗聚集剂。对此 Kim 等人展示了石墨烯量子点（GQDs）能够抑制α-syn 的纤维化并直接与成熟原纤维相互作用并引发其解聚。此外，GQDs 还可以挽救神经元死亡和突触损失，减少路易体和路易神经突形成，改善线粒体功能障碍，并避免由α-syn 预先形成的原纤维引起的α-syn 病理学的神经元间传递。Kim 等人在体内观察到了 GQDs 穿透血脑屏障并避免了由α-syn 预形成原纤维、路易体/路易神经突病变和行为缺陷诱导的多巴胺神经元损失。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0179-y）