《自然》《科学》一周(10.8-10.14)材料科学前沿要闻
材料科学的研究热点
材料科学的研究热点材料科学是一门涵盖了众多材料领域的综合性学科，其研究热点也在不断变化和更新。
在当前，一些关键的研究领域和趋势正在推动着材料科学的发展，下面我们将对这些热点进行探讨。
一、纳米材料和纳米技术纳米材料是一种由单个原子或分子组成的新型材料，具有许多独特的物理、化学和机械性能。
由于其独特的性质，纳米材料在许多领域，如生物医学、能源转换和储存、环境治理等，都有广泛的应用前景。
此外，纳米技术在微纳制造、电子设备、信息存储等领域也有巨大的潜力。
未来，纳米材料和纳米技术的应用将更加广泛，这将对材料科学的研究提出更高的要求。
二、绿色和可持续材料随着环保意识的提高，绿色和可持续材料的研究越来越受到关注。
这些材料在生产和使用过程中对环境的影响较小，同时具有较高的性能和可持续性。
目前，绿色和可持续材料的研究主要集中在可再生资源（如生物质）转化为新材料，以及环境友好的制备工艺等方面。
例如，利用植物纤维和生物聚合物制备生物基塑料，使用绿色催化剂进行金属掺杂等。
此外，回收和再利用材料也是一个重要的研究领域，以提高资源的利用效率，减少浪费。
三、自修复材料自修复材料是一种能够在受到损伤时能够自我修复或恢复性能的材料。
这种材料具有巨大的应用潜力，特别是在航空航天、汽车、建筑等领域。
目前，自修复材料的研究主要集中在开发自修复机制、优化自修复效果以及与智能材料的结合等方面。
未来，随着自修复材料的不断完善和优化，其应用领域将不断扩大。
四、仿生材料仿生材料是模仿自然界中的生物或生物结构而开发的材料。
这些材料通常具有优异的力学性能、优良的生物相容性和自适应性等特性。
目前，仿生材料的研究主要集中在仿生结构和功能的设计与合成方面。
例如，模仿植物的纤维结构制备高性能纤维增强复合材料；模仿贝壳的微观结构制备具有优异力学性能的纳米复合材料等。
未来，仿生材料的研究将更加注重与生物学的结合，以开发出更加自然、环保和可持续的材料。
五、智能材料和系统智能材料是一种能够感知外部环境并响应变化的材料或系统。
《自然》《科学》一周(9.10-9.16)材料科学前沿要闻
1. 效率达 17.3％的溶液加工的有机串联太阳能电池材料名称：有机光伏电池研究团队：中国南开大学陈永胜研究组原标题：Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency虽然有机光伏电池（OPV）具有许多优点，但它们的性能仍然远远落后于其他光伏平台。
其中一个最根本的原因是有机材料的电荷迁移率低，导致有源层厚度和光吸收效率受到限制。
在 Meng 等人的研究中，在半经验模型分析的指导下，使用串联电池策略来克服这些问题，并利用有机材料的高度多样性和易于调谐的带结构，创造了 17.29％的功率转换效率。
实现了双端整体溶液加工的串联OPV。
（Science DOI: 10.1126/science.aat2612）2. 3D 打印分层液晶聚合物结构材料名称：液晶聚合物研究团队：瑞士联邦理工学院André r. Studart研究组原标题：Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures当诸如飞机、车辆和生物医学植入物等需要坚硬的轻质材料时，通常会使用纤维增强聚合物结构。
虽然它们具有非常高的刚度和强度，但是这种轻质材料需要能量和劳动密集的制造工艺，且通常易出现脆性断裂并且难以成形和再循环。
这与轻质生物材料（例如骨、丝和木材）形成了鲜明对比，这些生物材料能够通过定向自组装形成具有突出机械性能的复杂的、分层结构的形状，并且能够循环融入到环境中。
Gantenbein 等人展示了一种三维（3D）打印方法，来生成具有分层结构、复杂几何形状和前所未有的刚度和韧性的可回收轻质结构。
它们的特性源于在熔融原料材料的挤出过程中液晶聚合物分子自组装成高度有向域。
Gantenbein 等人通过使印刷路径与分子域定向，能够根据预期的机械应力增强聚合物结构，从而使刚度、强度和韧性超过最先进的 3D 打印聚合物一个数量级，能够与最高性能的轻质复合材料相媲美。
《自然》《科学》一周(7.23-7.29)材料科学前沿要闻
1. 用于高倍率锂离子储能的铌钨氧化物材料名称：Nb16W5O55和 Nb18W16O93研究团队：英国剑桥大学 Clare P. Grey 研究组原标题：Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage锂离子电池的最大功率输出和最小充电时间取决于离子和电子传输。
电化学活性颗粒内的离子扩散通常代表对电池可充电和放电速率的基本限制。
为了补偿相对慢的固态离子扩散并且能够实现高功率和快速充电，活性颗粒经常被减小到纳米尺寸，从而损害了体积填充密度、成本、稳定性和可持续性。
作为纳米级的替代方案，Griffith 等人在这里展示了两种复杂的铌钨氧化物（Nb16W5O55和 Nb18W16O93，它们分别采用晶体剪切和青铜状结构）即使在铌钨氧化物颗粒的尺寸数量级为微米级下也可以高速嵌入大量的锂。
两种结构中锂离子扩散系数的测量显示室温下的值比典型的电极材料如Li4Ti5O12和 LiMn2O4高几个数量级。
这一铌钨氧化物材料的出现打破了通过构造纳米电极材料来优化电池中离子扩散速率和电学性能的传统方法，为制备高性能电池提供了新的策略。
（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0347-0）2. 室温下对范德瓦尔斯异质结构中激子通量的电控制材料名称：MoS2-WSe2范德瓦尔斯异质结构研究团队：瑞士洛桑联邦理工学院 Andras Kis 研究组原标题：Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure依赖于激子（束缚电子和空穴对）操作的器件有望实现光学数据传输和电子处理系统之间的有效互连。
尽管已经在基于体半导体的耦合量子阱中成功地证明了基于激子的晶体管作用，但是它们工作所需的低温限制了它们的实际应用。
《自然》《科学》一周(10.15-10.21)材料科学前沿要闻
1. 适体场效应晶体管克服了小分子传感的德拜长度限制材料名称：场效应晶体管研究团队：美国加州大学 Anne M. Andrews 研究组原标题：Aptamer-field-effect transistors overcome Debye length limitations for small-molecule sensing用带有配体特异性受体的场效应晶体管检测分析物，基本都会受到双电层产生的屏蔽的限制（“德拜长度”限制）。
Nakatsuka 等人通过修改印刷式超薄金属氧化物场效应晶体管阵列，选择脱氧核糖核苷酸适体自适应地结合其靶标，从而能在高生理离子强度条件下检测小分子。
半导体通道附近带负电荷的适体磷酸二酯骨架的靶诱导构象变化，在生理缓冲液中通过门控来控制传导，实现了高度灵敏的检测。
通过特异性分离的适体干细胞受体，可以感知带电靶标和电中性靶标（血清素、多巴胺、葡萄糖和鞘氨醇-1-磷酸）。
（Science DOI: 10.1126/science.aao6750）2. 用于聚光太阳能发电厂热交换器的陶瓷金属复合材料材料名称：ZrC/W 复合材料研究团队：美国普渡大学 K. H. Sandhage 研究组原标题：Ceramic-metal composites for heat exchangers in concentrated solar power plants以更高的涡轮机入口温度运作，可以使聚光太阳能发电厂（使用镜子或透镜集中太阳光以驱动热力发动机，通常涉及涡轮机）热发电效率明显增加，但是这需要改进热交换器材料。
通过使用闭式循环高压超临界二氧化碳（sCO2）再压缩循环来使涡轮机运作的入口温度高于 1023 开尔文，而不是使用入口温度低于 823 开尔文的常规（如亚临界蒸汽朗肯）循环，相对热电转换效率可提高 20％以上。
由此产生的集中式太阳能发电厂可调度电力成本的降低（加上热能储存）将是与化石燃料基础设施直接竞争和大量减少温室气体排放的重要一步。
材料科学的新兴发展前沿
材料科学的新兴发展前沿材料科学作为一个多学科交叉领域，一直以来都在为人类的发展做出贡献。
随着科技的不断进步和创新，材料科学正迎来全新的发展前沿。
本文将重点讨论材料科学领域的新兴发展前沿，涵盖先进材料、功能材料、纳米材料以及可持续材料等方面的最新趋势和领域。
先进材料是材料科学中的重要研究方向之一，它涵盖了诸多材料的设计、制备和应用。
先进材料旨在提高材料的性能和功能，为现代科技和工业的发展提供更加先进的工具和解决方案。
例如，高性能金属合金、复合材料和功能纤维等是先进材料的重要研究方向。
这些材料的应用范围广泛，可用于航空航天、能源储存、电子器件等领域，大大推动了相关科技的发展。
功能材料是指具有特定功能的材料，其研究重点是通过控制材料的结构和组成来实现特定的物理、化学或生物性能。
可调控的光学、电子、磁性和热学性质是功能材料的主要特征。
在光学方面，发光材料和光波导材料等功能材料的研究是当前热点之一。
这些材料不仅在显示技术、光纤通信等领域有广泛应用，还在生物医学中发挥着重要作用，如荧光探针、生物成像和刺激响应材料等。
此外，磁性材料的研究也十分重要，特别是对于存储器件和磁共振成像等领域的发展具有重要意义。
纳米材料是一种重要的研究方向，其尺寸在纳米级别，通常是10^-9米。
由于纳米材料的独特特性，如巨大的比表面积、尺寸约束效应和量子效应，使得其在光电、磁学、力学以及生物学等领域中具有广泛的应用潜力。
纳米材料的研究旨在探索和改变材料的物理化学性质，并研究其在纳米尺度上的行为和性能。
例如，纳米颗粒的制备和应用被广泛研究，其在能源领域的应用包括光伏材料、燃料电池材料、储能材料等。
此外，纳米材料在生物医学、环境和传感器等领域的应用也备受关注。
可持续材料是指以可持续发展为导向和目标的材料。
近年来，全球对环境保护和可持续发展的关注日益增加，促使人们研究和开发可持续材料，以减少对环境的负面影响。
可持续材料的研究方向包括环保材料的设计和开发、循环经济材料的利用以及可再生能源材料的应用等。
《自然》《科学》一周(5.7-5.13)材料科学前沿要闻
1. 能够自我报告和自我调节的液晶原标题：Self-reporting and self-regulating liquid crystals材料名称：液晶研究团队：美国威斯康星大学麦迪逊分校Abbott研究组液晶（LC）是各向异性流体，它结合了晶体的长程有序性与液体的流动性。
其具有的这些特性已被组合广泛用于创造能够以光学方式报告其环境信息的可重构材料，例如电场变化（智能手机显示）、温度变化（温度计）或机械剪切变化以及化学和生物刺激（传感器）等。
但对于响应性材料却仍存在尚未满足的需求，这些材料不仅需要传达其环境信息，而且还需要通过自我调节的化学相互作用转化环境。
Kim 等人展示了一系列可以触发脉冲（瞬态）或连续释放初始时 LC 内的微型货物（含水微滴或固体微粒及其化学内容物）的刺激。
由此液晶材料能够对目标物理、化学和生物事件以化学响应的方式进行自我报告和自我调节，具体响应方式可通过对不同几何形状（如井，膜和乳滴）中的弹性、电双层、浮力和剪切力的相互作用等进行预编程来实现。
这些LC 材料具有超出用于受控微载体释放的常规材料的能力，可以执行复杂的功能，例如以光学形式对刺激（例如由运动细菌产生的机械剪切应力）进行报告，然后通过反馈回路以自我调节的方式响应（例如，释放引起细菌细胞死亡所需的最小量的杀生剂）。
（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0098-y）2. 水蒸汽促进合金氧化的原子起因原标题：Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation材料名称：镍铬合金研究团队：美国太平洋西北国家实验室Chongmin Wang研究组对于蒸汽发生器、涡轮发动机、燃料电池、催化剂和腐蚀等许多材料应用来说，或有意或无法避免的水蒸气的存在，都是非常重要的。
现象学上，人们已经注意到水蒸气会加速金属和合金的氧化。
但这种氧化背后的原子机制却仍未可知。
材料科学领域的前沿
材料科学领域的前沿材料科学是一门研究材料结构、性能、制备和应用的学科。
随着科学技术的不断进步，材料科学在近几十年来取得了巨大的发展，并呈现出了许多前沿领域。
本文将从材料设计和发现、纳米材料、生物材料以及可再生材料等方面介绍材料科学领域的一些前沿研究。
材料设计和发现是材料科学领域的一个重要研究方向。
传统的材料设计方法往往是基于经验和试错，而现代材料科学已经开始采用计算机模拟和数据驱动的方法来进行材料设计。
其中，高通量计算和机器学习等技术被广泛应用于材料设计和发现。
高通量计算可以通过大规模并行计算和高度自动化的算法，快速筛选出具有特定性能的材料候选者。
机器学习则可以根据大量实验数据和物理模型，建立预测性模型，加速材料设计的过程。
这种基于计算和数据驱动的材料设计方法，不仅可以加快新材料的发现速度，还能够解决材料研究过程中的一些实验难题。
纳米材料是材料科学领域的另一个前沿研究方向。
纳米材料具有尺寸效应、表面效应和量子效应等特性，因此在光电子器件、催化剂和生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
纳米材料的制备方法也在不断创新，如溶胶-凝胶法、水热合成、气相沉积等。
同时，研究者们也在进一步深入研究纳米材料的结构和性能，以便更好地应用于实际应用中。
生物材料是指能够与生物系统相互作用的材料，是材料科学领域的又一重要研究方向。
生物材料在医学、生命科学和工程领域具有重要的应用潜力。
例如，人工关节、心脏起搏器、人工血管等医疗器械都是生物材料的应用领域。
此外，生物材料还可以用于组织工程、药物传递和生物传感等方面。
研究者们正在努力开发具有优异性能和生物相容性的生物材料，以满足社会需求。
另一个材料科学领域的前沿是可再生材料的研究。
随着全球环境问题的日益严重，研究可再生材料已经成为一个重要的研究方向。
可再生材料是指可以通过再生或循环利用来减少资源消耗和环境影响的材料。
例如，可再生能源材料如太阳能电池、风能发电材料等可以替代传统的能源材料；可再生塑料材料如生物基塑料可以减少石油资源的消耗。
材料科学前沿
材料科学前沿材料科学作为一门研究材料的结构、性能、加工及其与实际应用之间关系的学科，近年来取得了飞速的发展。
随着科技的进步和人类对高性能材料的不断追求，材料科学的研究前沿正不断拓展，为各行各业带来了革命性的变革。
纳米技术的突破在材料科学领域，纳米技术的应用已成为一个重要研究方向。
通过控制材料的微观结构至纳米级别，科学家们能够显著改善材料的力学、电学及光学性能。
例如，纳米复合材料因其优异的机械强度和耐热性，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
生物可降解材料环保意识的增强推动了生物可降解材料的研究与发展。
这类材料能够在自然条件下分解，减少对环境的污染。
目前，生物可降解塑料、生物医用材料等已开始逐步替代传统塑料和金属材料，在包装、医疗等行业中得到应用。
智能材料的研发智能材料是指能够对外界刺激（如温度、压力、电磁场）作出反应的材料。
这些材料在传感器、驱动器、自适应系统等方面展现出巨大潜力。
例如，形状记忆合金可以在特定温度下恢复其原始形态，被用于医疗器械和智能服装中。
超导材料的新进展超导材料因其在低温下零电阻和完全抗磁性的特点，一直是物理学和材料科学的热点。
近年来，研究人员在提高超导材料的临界温度方面取得了显著进展，这对于电力输送、磁悬浮交通等领域具有重大意义。
能源存储材料的创新随着可再生能源的广泛应用，高效能源存储材料的需求日益增长。
新型电池技术，如固态电池、锂空气电池等，因其高能量密度和长寿命特性，被视为未来能源存储的重要方向。
此外，超级电容器作为一种快速充放电的储能设备，也在电动汽车、智能电网等领域显示出巨大潜力。
结语材料科学的发展不仅推动了科技进步，也极大地改善了人类的生活质量。
未来，随着新材料的不断涌现和技术的进一步成熟，我们有理由相信，材料科学将继续在能源、环境、信息、生命科学等领域发挥关键作用，引领人类社会向更加可持续、高效的方向发展。
《自然》《科学》一周(7.16-7.22)材料科学前沿要闻
1. 聚合物网络中以金属有机笼作为交联的光切换拓扑结构材料名称：聚合物网络研究团队：美国麻省理工学院 Jeremiah A. Johnson 研究组原标题：Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks聚合物网络可具有一系列令人满意的性能，例如机械强度、不同材料之间宽泛的组成多样性、稳定的孔隙率、便利的加工性和广泛的溶剂相容性。
从下到上设计具有新结构基序和化学组成的聚合物网络，可以用来赋予动力学特征，例如延展性或自我修复或允许材料响应环境刺激。
然而，许多现有系统仅表现出由材料的组成和拓扑定义的一种运作状态；或者它们的响应性可能是不可逆转的，且仅限于单个网络特性（例如刚度）。
Gu 等人利用协作自组装作为设计原则来制造了可以在两个拓扑状态之间切换的材料。
通过使用聚合物连接的金属有机笼的网络，其中笼在照射时改变形状和尺寸，便可以用紫外线或绿光可逆地切换网络拓扑。
这种光开关可以同时在多个网络特性中产生相干变化，包括分支功能、结点波动、缺陷容限、剪切模量、应力松弛特性和自我修复。
拓扑切换材料可用于软机器人和光致动器等领域，也可用于基础聚合物物理研究的模型系统。
（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0339-0）2. 单分子水平的电荧光机制材料名称：锌-酞菁自由基阳离子研究团队：法国斯特拉斯堡大学 Guillaume Schull 研究组原标题：Electrofluorochromism at the single-molecule level分子光学性质和氧化态之间的相互作用对显示器、传感器和基于分子的存储器等应用来说都非常重要。
但对于发生在单分子水平上的基本机制一直难以探究。
Doppagne 等人利用扫描隧道显微镜（STM）来表征和控制吸附在覆盖了氯化钠的金（111）样品上的单个锌-酞菁自由基阳离子的荧光。
新一代材料科学的前沿研究
新一代材料科学的前沿研究材料科学作为一门重要的学科，涉及到材料的合成、结构、性能以及应用等多个方面。
随着科技的不断发展，新一代材料科学已成为研究的热点。
本文将重点探讨新一代材料科学的前沿研究领域和取得的重要进展。
一、纳米材料研究纳米材料是指尺寸在纳米级别的材料，具有独特的物理、化学和生物学性质。
纳米材料的研究对于材料科学的发展具有重要作用。
近年来，研究者们在纳米材料合成、调控以及应用等方面取得了许多突破性进展。
例如，通过控制合成条件，可以合成出多孔的纳米材料，具有较大的比表面积和良好的催化性能。
另外，纳米材料在能源存储领域也有广泛的应用，如锂离子电池、超级电容器等。
二、功能材料研究功能材料是指具有特殊功能或性能的材料，如光学材料、电子材料、磁性材料等。
在功能材料研究领域，得益于先进的合成技术和表征手段的发展，科研人员们已经取得了一系列重要的突破。
例如，光学材料方面，研究者们合成出具有特殊光学效应的材料，如光学变色材料、光学纳米结构等。
电子材料方面，发展出多层薄膜、有机电子材料等，极大地推动了电子技术的发展。
磁性材料方面，研究者们合成出超导材料、磁性纳米材料等，有望在磁存储和磁共振成像等领域取得重要应用。
三、生物医学材料研究生物医学材料是应用于医疗领域的材料，具有与生物体相容性、生物活性和特定的生物力学性能。
随着人们对生命科学和医学的深入了解，生物医学材料的研究受到了广泛的关注。
例如，可降解的生物医学材料在组织工程和药物传递等方面具有重要应用，可以促进组织修复和再生。
另外，仿生材料的研究也是生物医学材料领域的一个重要方向，通过模仿自然界的结构和功能，设计和制备具有特定功能的材料。
四、可持续发展材料研究可持续发展材料是指在生产、使用和废弃过程中对环境和人类健康影响较小的材料。
随着环境意识的增强，可持续发展材料的研究和应用受到了广泛的关注。
研究者们通过使用可再生资源、降低能源消耗和减少废弃物等方式，开发出各类符合可持续发展理念的材料。
《自然》《科学》一周(12.18-12.24)材料科学前沿要闻
1. 聚合物基底上少层分子膜提高有机器件性能。
原标题：A few-layer molecular film on polymer substrates to enhance the performance of organic devices有机电子器件中，自组装的单层介电基底功能化被认为是很有效的表明修饰策略，能大幅提高器件性能。
然而，这一技术并不适用于柔性电子器件中的聚合物基底。
Yokota等人报导了基于石蜡型三蝶烯的有机修饰物，能够在聚合物基底上自组装成完全取向的二维六边形三蝶烯阵列和一维层叠结构。
这种少层膜类似于无机基底上传统自组装的单层膜。
而且，这种膜能够大幅提高有机半导体的结晶性和总体的有机薄膜晶体管。
（Nature Nanotechnology DOI: https:///10.1038/s41565-017-0018-6）2.高于99.9%保真度的量子点自旋比特原标题：A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9%从噪声源中分离量子比特，已经使量子相干次数延伸成为可能。
事实上，由于高度背景电荷涨落，纳米结构中达到提高的量子相干可能性一直被质疑。
而且，在实际多比特系统中，需要大尺度的自旋-电子耦合来处理单自旋和自旋-自旋操纵。
Yoneda 等人实现了具有20微妙相干时间的单电子自旋比特和高达30 MHz的快速电控速度。
使用快速自旋旋转，他们还揭示了自由演变的去相位是由电荷噪声而不是传统磁噪声引起的。
这一比特表现出很优异的单个比特门保真度，平均达到99.9%，提供了一个很有前景的途径来实现容错可控的大尺度自旋比特系统。
（Nature Nanotechnology DOI: https:///10.1038/s41565-017-0014-x）3. 相干膨胀动力学原标题：Coherent inflationary dynamics for Bose–Einstein condensates crossing a quantum critical point量子相位过渡，多体基态之间的过渡，是凝聚态物理学到宇宙学很有趣的研究。
科学前沿动态
科学前沿动态科学前沿动态是一个不断发展和变化的领域，它涵盖了从生物学、物理学到信息技术和人工智能等多个学科的最新进展。
以下是一篇关于科学前沿动态的简短作文，字数控制在400字以内：---**探索科学前沿：未来科技的无限可能**随着科技的飞速发展，我们正站在一个前所未有的时代门槛上。
科学前沿动态不仅引领着人类知识的边界，更深刻地影响着我们的日常生活。
在生物学领域，基因编辑技术CRISPR-Cas9的出现，为治疗遗传性疾病提供了新的希望。
科学家们正在探索如何利用这一技术精准地修改基因，以消除疾病根源。
物理学家们则在量子计算领域取得了突破，这可能将计算能力提升至前所未有的高度。
量子计算机利用量子比特代替传统计算机的二进制系统，有望解决当前计算机难以处理的复杂问题。
信息技术的发展同样令人瞩目。
5G技术的商用化，将极大提升数据传输速度，为物联网、自动驾驶等技术提供强有力的支持。
这不仅将改变我们的通信方式，还将推动整个社会的数字化转型。
人工智能（AI）的进展更是日新月异。
从机器学习到深度学习，AI正在变得越来越智能，能够处理复杂的数据分析、图像识别和自然语言处理等任务。
AI的广泛应用预示着一个更加智能化的未来。
然而，随着科技的不断进步，我们也面临着伦理、隐私和安全等挑战。
如何在创新与责任之间找到平衡，是摆在科学家和整个社会面前的重要课题。
总之，科学前沿动态展示了人类对未知世界的不懈探索和对美好生活的无限向往。
让我们共同期待，科技将如何塑造我们的未来。
---这篇作文简要介绍了几个科学前沿领域的最新动态，并提出了科技发展带来的挑战和思考。
《自然》2020年十大科学发现出炉
《自然》2020年十大科学发现出炉来源：科研圈作者：陈梦圆、谢一璇、李姗珊、邱燕宁、魏潇科学成就《自然》2020 年十大科学发现出炉当地时间12 月14 日，《自然》（Nature）通过其官网公布了2020 年十大科学发现，其中 9 个科学发现的论文发表于《自然》，1 个科学发现的论文发表于《科学》（Science）。
具体内容如下：1.打破物质-反物质对称性4 月 15 日，日本 T2K 中微子合作组发表论文，首次提供了宇宙中物质–反物质不对称性起源的证据。
T2K 合作组收集了 2009-2018 年间中微子和反中微子的数据，通过结合其他的中微子振荡实验，研究人员理清了转换概率对于不同参数的依赖性并给出了 CP 破缺证据。
2.南极臭氧空洞的恢复3 月 25 日，美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员发表论文，指出因禁止消耗臭氧层物质的生产和使用相关法案（如1987 年《蒙特利尔议定书》）的实行，大气中消耗臭氧层物质的浓度正在下降，臭氧层出现恢复的初步迹象。
3.爱尔兰史前贵族坟墓中发现乱伦证据6 月 17 日，爱尔兰都柏林三一学院的研究团队发表论文，该团队对一座位于爱尔兰且具有大约5000 年历史的史前陵墓中埋葬的人类遗骸进行了基因测序，发现了墓中所埋葬之人是一级乱伦的后代：他的父母要么是兄弟姐妹，要么是父母和孩子。
研究团队推测，这座陵墓中所埋葬的贵族，通过乱伦来维持贵族血统。
4.利用卫星绘制树木地图10 月 14 日，丹麦哥本哈根大学和美国航天局合作发表论文，通过对覆盖西撒哈拉和西非萨赫勒地区超过130 万平方公里的高分辨率卫星图像的分析，绘制了超过 18 亿棵树木的位置和大小。
这将推动人类对全球陆地生态系统的思考、监测、建模和管理方式的根本变化。
5.激活潜伏期的艾滋病毒1 月 22 日，美国埃默里大学的研究人员发表两篇论文[a,b]，通过“激活并杀死”（shock and kill）的方法，利用可促进艾滋病毒（HIV）转录的药物激活位于潜伏期的病毒，增加病毒基因表达，使得免疫系统更好地识别并消灭被病毒侵入的细胞。
新型材料创新最新学术研究成果引领材料科学前沿
新型材料创新最新学术研究成果引领材料科学前沿随着科学技术的不断进步，材料科学作为一个重要的学科领域，也在不断迎来新的突破和创新。
新型材料的研究成果一直是引领材料科学发展的重要力量。
本文将介绍一些新型材料创新的最新学术研究成果，揭示它们在材料科学前沿的领先地位。
一、二维材料的突破二维材料是近年来被广泛研究的热点之一。
其中，石墨烯是最有代表性的二维材料之一。
然而，近年来，科学家们不断发掘出更多的二维材料，如磷化硼、二硫化钼等，这些材料具有很强的光电性能和力学性能，具有广泛的应用前景。
例如，在能源领域，二维材料的超电容器、太阳能电池等应用得到了极大的关注。
二、金属有机骨架材料的开拓金属有机骨架材料（MOFs）是一类具有高孔隙度和多样化结构的材料。
它们具有特殊的表面活性和可控的物理化学性质，因此在气体存储、分离和催化等领域有着广泛的应用。
近年来，科研人员通过设计新型的配体和金属离子的组合，成功地合成了一系列具有特殊性能的MOFs。
这些材料在储能、环境治理等方面发挥着重要作用。
三、纳米材料的创新应用纳米材料具有独特的物理、化学和生物学特性，已经成为材料科学领域的重要研究方向。
近年来，科学家们不断开发新的纳米材料，并在药物传递、生物传感、光电器件等领域取得了突破性的进展。
例如，利用纳米颗粒制备的药物输送系统可以实现精确的药物释放，提高药物治疗效果。
同时，纳米材料的光电特性也引起了人们的广泛兴趣，被应用于光伏发电、光催化等领域。
四、光子晶体的设计与应用光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料。
其特殊的光学性质使其在光子学领域具有广泛的应用潜力。
科学家们通过改变光子晶体的孔隙结构和周期性，成功地调控了其光学性能，如光子带隙、共振等。
这些特性使光子晶体在激光器、光波导器件等方面具有很大潜力。
此外，光子晶体还被应用于生物传感、光子芯片等领域，为光学技术的发展提供新的思路和解决方案。
五、功能性高分子材料的研究进展功能性高分子材料是具有特殊性能和功能的高分子复合材料。
《自然》《科学》一周（10.31-11.06）材料科学前沿要闻
《自然》《科学》一周（10.31-11.06）材料科学前沿要闻1.全印刷的磁性自修复电化学装置（All-printed magnetically self-healingelectrochemical devices）Bandodkar 等人将永磁性 Nd2Fe14B 微粒（NMP）与石墨油墨相结合，展示了低成本快速自修复印刷电化学装置。
将NMP 结合到油墨中的措施赋予了印刷线路惊人的自修复能力，在无需使用者干预和外部触发的情况下，可以快速（约50ms）修复相同或不同位置上大至3mm的损伤。
NMP具有对周围环境不敏感的永磁特性，使它可以不依赖环境条件实现长期修复极端损伤。
这种显著的自修复能力用于现有的人造自修复系统尚未被报导过。
新的自我修复概念在现实生活中具有很强的适用性，可以广泛应用于在自修复全印刷电池、电化学传感器和基于纺织品的可穿戴电路中。
（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1601465）2.钙钛矿-卤化物中的缺陷及其在太阳能电池中的作用（Defects in perovskite-halides and theireffects in solar cells）基于卤化物-钙钛矿光吸收体的太阳能电池具有一些独特的特性，可以帮助减轻全球对化石燃料的依赖。
这些电池利用低温溶液处理得到的丰富原料将阳光高效地转化为电能。
因此，它们与其他光伏技术相比具有降低成本的潜力。
尽管如此，想要充分开发卤化物-钙钛矿的潜力，仍有几个必须要突破的挑战。
鉴于离子固体材料相对较软的性质，挑战之一便是理解和控制它们的缺陷结构。
目前，对缺陷结构的理解较为有限，而这限制了这些太阳能电池的能量转换效率，使其无法达到其热力学极限。
Petrozza等综述了卤化物-钙钛矿中缺陷的起源和性质及其对载流子复合、电荷迁移、能带对准和电不稳定性的影响，并且提供了关于如何进一步获取进展的观点。
（Nature energy DOI: 10.1038/NENERGY.2016.149）3.微凝胶封装单细胞用于药物递送（Deterministic encapsulation of single cells inthin tunable microgels for niche modelling and therapeutic delivery）利用现有技术将细胞封装在微尺度水凝胶中，通常会产生很高的聚合物/细胞比率，并且对水凝胶的力学性能缺乏控制。
《自然》《科学》一周（3.20-3.26）材料科学前沿要闻
《自然》《科学》一周（3.20-3.26）材料科学前沿要闻1. Cu/ZnO 催化剂上的活性位点（Active sitesfor CO2 hydrogenation to methanol on Cu/ZnO catalysts）近年来，二氧化碳（CO2）氢化成甲醇的商业用铜/氧化锌/氧化铝（Cu/ZnO/Al2O3）催化剂中的活性位点，即 Zn-Cu 双金属位点或ZnO-Cu 界面位点引起了激烈的争论。
Kattel 等人报导了典型催化剂ZnCu和ZnO/Cu 对甲醇合成的活性的直接比较。
他们结合x 射线光电子能谱、密度泛函理论和动力学蒙特卡罗模拟，可以识别和表征每种催化剂的反应活性。
实验结果和理论结果都表明，ZnCu 在反应条件下经历表面氧化，使得表面Zn转变成ZnO，从而使ZnCu 达到ZnO/Cu 中相同 Zn 覆盖率的活性。
Kattel 等人的研究结果突出了 Cu 和ZnO界面处的协同作用在促进甲酸中间体合成甲醇的重要性。
（Science DOI: 10.1126/science.aal3573）2.层状二维钙钛矿边缘态实现高效的内部激子解离（Extremely efficient internal exciton dissociation through edgestates in layered 2D perovskites）理解和控制目前半导体量子阱中的电荷和能量流可以实现高效率光电器件。
二维Ruddlesden-Popper 钙钛矿是可溶液处理的量子阱，其带隙可以通过改变钙钛矿层厚度来调节，从而有限制效电子空穴。
经典的量子限制系统中光生电子和空穴受到库仑相互作用或激子的强约束。
Blancon 等人报导了厚度超过两个钙钛矿晶体单位（>1.3 纳米）的Ruddlesden-Popper 钙钛矿薄膜的光物理机制，是由钙钛矿层边缘的局部本征电子结构相关联的较低能态主导。
这些能态提供了将激子解离成寿命更长的自由载流子的直接途径，从而显著提高了光电器件的性能。
《自然》《科学》一周（3.9-3.15）材料科学前沿要闻一览
《自然》《科学》一周（3.9-3.15）材料科学前沿要闻一览想了解材料科学的前沿动态吗？想知道世界各国的科学家们都在关注什么热点吗？新材料在线带你走进《自然》《科学》，品味最前沿的材料科学研究进展。
1. 石墨烯在电化学储能方面的应用（The role of graphene forelectrochemical energy storage）自从2004年被首次剥离以来，石墨烯已经成为材料科学研究领域最热门的课题之一，它优良的特性导致了大量科学论文的发表。
在众多领域中，这股“石墨烯热”正在显著影响电化学储能设备这一领域。
尽管有广泛的热情，但还无法确定石墨烯是否会给这一领域带来实质性的进展。
Rinaldo Raccichini 等人讨论了石墨烯的一些最新应用，从锂离子电池、电化学电容器到一些最新技术，如金属-空气电池和镁离子电池。
通过对当前技术的严谨分析，文章旨在发现石墨烯材料的优点和问题所在，此外还总结了目前在储能方面所取得的最好结果。
（Nature Materials DOI: 10. 1038 /NMAT4170）2. 高效率及高光生电压的单节聚合物太阳能电池（Single-junction polymersolar cells with high efficiency and photovoltage）聚合物太阳能电池是一类有前景的下一代太阳能电池技术，因为它可以在常温下用溶液加工的手段制备柔性、质轻、大面积器件。
据报道叠层器件的效率已经超过10%。
最近，Zhicai He等人通过降低电子受体材料导带下的尾态密度，在单层器件中达到了相近的效率。
带尾的调控使通过改变活性层组分及共混膜的结构实现的，这两者被认为是影响电池运行的重要因素。
通过这些调控，电池的效率达到9.94%，同时提升了光生电压。
(Nature Photonics DOI:10.1038 /NPHOTON. 2015.6)3. 碱金属与水反应的初级阶段发生库伦爆炸（Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkalimetals with water）碱金属可以与水发生爆炸性的反应，这是教科书上的知识，书上对这种反应解释为反应放热、形成蒸汽并点燃产生的氢气。
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1. 由熵驱动的手性单壁碳纳米管的稳定性
材料名称：单壁碳纳米管（SWCNT）
研究团队：法国艾克斯马赛大学 Christophe Bichara 研究组
原标题：Entropy-driven stability of chiral single-walled carbon nanotubes 单壁碳纳米管是空心圆柱的，其可以在边界处催化剂的作用下，通过碳结合而生长达到厘米级长度。
其表现出半导体或金属特性，取决于生长过程中形成的手性指数。
Magnin 等人为了支持选择性合成，开发了一个热力学模型，该模型将管-催化剂的界面能量、温度与碳纳米管手性联系了起来。
并表明了纳米管可以生长手性，因为它们的纳米尺寸边缘的结构熵，从而解释了实验观察到的手性分布的温度演变。
通过界面能量考虑催化剂的化学性质，Magnin 等人构建了结构图谱和相图，用于指导催化剂和实验参数的理性选择，以实现更好的选择性。
（Science DOI: https:///10.1126/science.aat6228）
2. 亚微米级结构的钙钛矿发光二极管
材料名称：钙钛矿发光二极管
研究团队：西北工业大学黄维和南京工业大学王建浦研究组
原标题：Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures
发光二极管（LED）能够将电转换为光，广泛用于现代社会中如照明、平板显示器、医疗设备和许多其他情况。
通常，LED 的效率受到非辐射复合（电荷载流子由此重新组合而不释放光子）和光陷的限制。
在诸如有机 LED 的平面 LED 中，从发射器产生的光的大约 70％至 80％被捕获在装置中，为提高效率留下了很大的机会。
研究人员们用了许多方法，包括使用衍射光栅、低折射率网格和屈曲图案，来提取被陷在 LED 中的光。
然而，这些方法通常涉及复杂的制造工艺并且可能使发光光谱和出光方向发生改变。
Cao 等人展示了高效和高亮度电致发光的溶液加工的钙钛矿，其自发形成亚微米级结构，可以有效地从器件中提取光并保持与波长和视角无关的电致发光。
这种钙钛矿仅需要在钙钛矿前体溶液中引入氨基酸添加剂便可形成。
此外，添加剂可有效钝化钙钛矿表面缺陷并减少非辐射复合。
钙钛矿 LED 具有峰值 20.7％的外量子效率（电流密度为 18 mA·cm-2），能量转换效率为 12％（在 100 mA·cm-2的高电流密度下），该值与性能最佳的有机 LED 相接近。
（Nature DOI: https:///10.1038/s41586-018-0576-2）
3. 外量子效率超过 20％的钙钛矿发光二极管
材料名称：钙钛矿发光二极管
研究团队：中国华侨大学魏展画研究组
原标题：Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 per cent
金属卤化物钙钛矿材料是一类新兴的可湿法制备半导体，在用于光电器件方向具有相当大的潜力。
例如，基于这些材料的发光二极管（LED）可以应用于平板显示器和固态照明，因为它们可以通过简单的溶液处理以低成本制造，并且可以在高光致发光量子产率下实现可调颜色和窄发射线宽。
然而，绿色和红色发光钙钛矿 LED 的最高外部量子效率分别约为 14％和 12％，仍然远远落后于有机 LED 和无机量子点 LED 的性能。
Lin 等人报导了发射可见光的钙钛矿 LED 超越了 20％的量子效率这一里程碑。
这一成就源于对器件中组分分布进行管理的新策略，该方法同时提供了高发光和平衡电荷注入。
具体是将预合成的 CsPbBr3钙钛矿与 MABr 添加剂（其中 MA 是 CH3NH3）混合，其溶解度的不同产生连续结晶形成 CsPbBr3/MABr准核/壳的结构。
MABr 壳钝化了原本会存在于 CsPbBr3晶体中的非辐射缺陷，提高了光致发光量子效率，而 MABr 覆盖层实现了平衡电荷注入。
由此产生的 20.3％的外部量子效率代表了钙钛矿 LED 在照明和显示器中实际应用迈出了重要一步。
（Nature DOI: https:///10.1038/s41586-018-0575-3）
4. 微粒间氢键可以在稠密悬浮液中引发剪切干扰
材料名称：稠密悬浮液
研究团队：美国芝加哥大学 Heinrich M. Jaeger 研究组
原标题：Interparticle hydrogen bonding can elicit shear jamming in dense suspensions
液体中硬微粒的稠密悬浮液可以表现出惊人的反直觉特性，例如由不连续剪切增稠（DST）和可逆剪切干扰（SJ）而流动停止且悬浮液成为类固体的状态。
由应力激活的从流体动力学相互作用到摩擦微粒接触的跨越是显示出这些特性的关键。
然而，在实验中，许多悬浮液仅显示出 DST，而没有 SJ。
M. James 等人表明了，创造出能使SJ 更易于观察的条件这一过程中，微粒表面化学起到了核心作用。
发现该系统在剪切接触时形成微粒间氢键的能力引发了 SJ。
并通过控制与溶剂形成的氢键，利用电荷稳定的聚合物微球和非球形玉米淀粉颗粒证明了这一点。
通过拉伸试验对 SJ 倾向进行了量化，并通过原子力显微镜展现了其与摩擦增强之间的关联。
这一研究结果扩展了对 SJ 机制的基本理解，并开辟了设计强非牛顿流体的途径。
（Nature Materials DOI: https:///10.1038/s41563-018-0175-5）
5. 块体铜直接转变为单原子铜催化剂
材料名称：单原子铜催化剂
研究团队：中国科技大学吴宇恩研究组和清华大学李亚栋研究组
原标题：Direct transformation of bulk copper into copper single sites via emitting and trapping of atoms
单原子催化剂在催化各种反应表现出很吸引人的特性，引起了研究人员的浓厚兴趣。
然而，通常合成这种材料的方法往往需要冗长的步骤，并且金属原子和支撑物之间缺乏合适的相互作用。
Qu 等人报导了一种简单且实用的合成方法能够用来大规模合成氮原子催化剂。
他们诱导金属原子从块状材料中溅射出来，然后利用氨气的辅助将其限域在富氮的多孔碳中。
首先基于很强的路易斯酸碱相互作用氨气与铜原子形成挥发性的 Cu(NH3)x物种。
然后，在氨气气氛的输运下，Cu(NH3)x物种被富氮的碳支撑体所捕获，形成孤立的铜原子位点。
这一策略可以很容易地实现规模化制备，已经被确认可以在工业规模水平上进行生产功能性的氮原子催化剂。
（Nature Catalysis DOI: https:///10.1038/s41929-018-0146-x）
6. 铜催化剂上负载金提高 CO2还原活性
材料名称：双金属 Au/Cu 电催化剂
研究团队：美国斯坦福大学 Thomas F. Jaramillo 和 Christopher Hahn 研究组
原标题：Improved CO2 reduction activity towards C2+ alcohols on a tandem gold on copper electrocatalyst
利用电化学转化将二氧化碳转化为液态燃料的材料具有很大的潜力来影响未来大规模的可再生能源存储和减少碳排放。
Morales-Guio 等人发现了一种电催化剂即在多晶铜箔上负载金纳米颗粒，对于二氧化碳还原为乙醇非常有效。
在很低的过电势下，Au/Cu 电催化剂催化形成含有 C-C 键的产物比起形成甲醇和甲烷选择性要高 100 余倍，大大促进了乙醇的产生而不是碳氢化合物。
电化学测试和输运模型均证明：CO2在金纳米粒子上产生高浓度的 CO，Cu 附近 CO 在局部碱性环境进一步还原为乙醇。
这种双金属 Au/Cu 电催化剂表现出的协同活性和选择性明显优于 Au、Cu 或者 AuCu 合金，并且开启 CO2还原电极的新的可能性。
（Nature Catalysis DOI: https:///10.1038/s41929-018-0139-9）
7. 极性通过二维材料控制原子间相互作用
材料名称：石墨烯
研究团队：美国麻省理工学院 Jeehwan Kim 研究组
原标题：Polarity governs atomic interaction through two-dimensional
materials
二维材料的透明度到晶体材料的分子间相互作用一直是一个未解的难题。
Kong 等人报导了键合本质管控远程原子间相互作用，也就是在基底和二维材料中的原子键的极性。
尽管共价键材料中的势场被单层石墨烯屏蔽了，但是离子键材料中的势场足够强从而可以渗透少层石墨烯，这种场渗透会受到二维六方氮化硼的扰动，而且六方氮化硼本身在原子键中具有极化。
基于材料本质和层间厚度调控的透明度控制，元素周期表中的各种类型的单晶材料均能够外延生长在二维材料覆盖的基底上。
外延生长的薄膜能够被释放成为自支撑的薄膜，从而为任意单晶薄膜的厚度整合提供机会。
（Nature Materials DOI: https:///10.1038/s41563-018-0176-4）。