基元反應的動力學是我們了解催化的基礎。正如大氣化學的微觀動力學模型促進了蒙特婁協議的生成，扭轉平流層臭氧損失一樣，採用微觀動力學方法進行非均相催化研究具有巨大的社會影響潛力。然而，這種催化方法的發展面臨巨大挑戰。主要原因是測量速率常數的方法非常有限，且目前的預測理論方法仍未得到充分驗證。有鑑於此，近日，喬治-奧古斯特大學Alec M. Wodtke等簡要介紹了依靠頻閃泵-探針概念對中性物質進行測量的表面上基元反應速率的最新實驗進展。
作者介紹了成功的測量方法背後的原理，並討論這些原理的最新應用。在特定但高度典型的表面反應（Pt上的CO氧化）的背景下討論了該主題，儘管進行了40多年的研究，但只有在進行速度分辨動力學的實驗成為可能之後，才可以澄清該問題。這個看似簡單的反應說明了有關活化能的覆蓋率依賴性，涉及多個反應位點的反應機理的性質，描述表面反應速率的過渡態理論的有效性以及研究在低溫下發生反應時可能發生的反應機理的重大變化等基本課程。
G.Barratt Park, Theofanis N. Kitsopoulos, Dmitriy Borodin, Kai Golibrzuch, JannisNeugebohren, Daniel J. Auerbach, Charles T. Campbell and Alec M. Wodtke*. Thekinetics of elementary thermal reactions in heterogeneous catalysis. Nat. Rev.Chem., 2019
DOI: 10.1038/s41570-019-0138-7
https://www.nature.com/articles/s41570-019-0138-7
2. Nature Materials: 磁性插層過渡金屬二滷化矽中的電開關
在控制過渡金屬二滷化物相關行為方面的進展為二維多體物理學開闢了新領域。這些材料尚未產生深遠影響的領域是反鐵磁自旋電子學，這是一個相對較新的研究方向，它具有開關時間短，對磁擾動不敏感以及減少串擾等技術。加州大學伯克利分校Nityan L. Nair, Eran Maniv和James G. Analytis團介紹了對嵌入過渡金屬二硫化二鐵Fe1/3NbS2的測量，該金屬在42 K以下表現出反鐵磁有序性。
研究發現，電流密度極低的10 A cm-2數量級可以重新定向磁階，可以通過改變採樣電阻來檢測磁階，這表明它可以用作電子可訪問的反鐵磁開關。Fe1/3NbS2是較大的一系列磁性插層過渡金屬二滷化物的一部分，其中一些可能在室溫下表現出轉換，從而形成了構建可調諧反鐵磁自旋電子器件的平臺.
Electricalswitching in a magnetically intercalated transition metal dichalcogenide,Nature Materials (2019)
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0518-x
3. Nature Energy：Cu2O顆粒上晶面依賴的活性位點用於光催化劑CO2還原為甲醇
將CO2高效催化還原為液體燃料在緩解和解決氣候變化挑戰中發揮不可或缺的作用。先前的研究集中在通過高溫氫化進行CO2還原，儘管使用氫氣會增加成本和安全性問題。近來，CO2的電還原引起了相當大的研究興趣，但是，此過程需要很大的過電勢，並且可能導致生成的化學物質分解。而利用太陽能進行的CO2光還原提供了一種以化學燃料形式直接存儲太陽能的有效方法。遺憾的是，儘管自1978年以來付出了巨大的努力，CO2還原光催化劑仍存在穩定性差，太陽光可見光部分的效率低等問題。
因此，在實際工作條件下對活性位點和轉化機理原子級的了解是合理設計高性能光催化劑的前提。近日，阿貢國家實驗室Yuzi Liu，Tijana Rajh等在大氣壓力下，原位操作條件下，通過掃描螢光X射線顯微鏡和環境透射電子顯微鏡研究，直接觀察到單個Cu2O光催化劑顆粒的（110）面對CO2還原為甲醇具有光催化活性，而（100）面是惰性的。活性位點的氧化態由CO2和H2O的共同吸附而從Cu（I）變為Cu（II），並且在可見光照射下經過CO2轉換後又變回Cu（I）。Cu2O光催化劑在還原CO2時會氧化H2O。作者還發現，由於CO2吸附，Cu2O晶格會膨脹，但其在CO2轉化後恢復。使用Cu2O晶體進行無輔助wireless光催化CO2還原為甲醇，其內部量子產率為〜72％。
YiminA. Wu, Yuzi Liu*, Tijana Rajh*, et al. Facet-dependent active sites of a singleCu2O particle photocatalyst for CO2 reduction tomethanol. Nature Energy, 2019
DOI: 10.1038/ s41560-019-0490-3
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0490-3
4. Nat. Catal.綜述：控制多相催化劑中金屬與載體相互作用提高活性與選擇性
金屬納米粒子穩定在載體材料上合成的催化劑用於催化許多主要的工業反應。負載型催化劑中的載體並非僅僅提供高的比表面積，提高活性金屬組分的分散度和熱穩定性那麼簡單，而對金屬組分的催化性能有更複雜的影響，載體能夠改變金屬納米粒子的形貌和電子性質，因此可以改變反應活性與選擇性，對催化劑的催化性能具有重要影響。同時，金屬-載體相互作用（SMSI）通常伴隨著載體對金屬顆粒的包埋，因而能夠有效穩定金屬粒子，有助於製備穩定型金屬催化劑。因此，調節金屬-載體相互作用成為能夠提高催化性能的為數不多的重要工具之一。然而，由於催化劑、反應和改性策略的多樣性，使得金屬-載體相互作用缺乏系統化研究。
有鑑於此，荷蘭烏得勒支大學納米材料科學研究所Krijn P. de Jong教授課題組，綜述介紹利用金屬載體相互作用調節策略提高各種反應的催化性能的最新進展。量化了近年來在C1化學中由於金屬-載體相互作用控制而導致的產率提高，分析表明，通過金屬載體相互作用產率可以提高15倍，而且對於小於4納米的金屬納米顆粒，金屬與載體的相互作用影響最大，這些發現證明了金屬-載體相互作用對提高催化性能的重要性。該工作對於通過調節金屬-載體相互作用設計製備高性能電催化具有重要的參考意義。
Tom W. van Deelen, Carlos Hernández Mejía, Krijn P. de Jong. Control ofmetal-support interactions in heterogeneous catalysts to enhance activity andselectivity. Nature Catalysis, 2019.
DOI: 10.1038/s41929-019-0364-x
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0364-x
5. Nat. Catal.：在非均相溶液中組裝促進的單電子轉移用於光催化活化烷基氯
烷基氯是大宗商品化學品，價格便宜且非常穩定，是化學合成中常用的起始原料。在各種親核取代反應和芳族取代反應中，它們通常用作烷基化試劑和親電partners，且它們的還原性活化會生成自由基或碳負離子。然而，由於烷基氯化物強的C–Cl鍵（327 kJ mol-1），與溴化物和碘化物類似物相比，它們顯示出低得多的反應性（鍵強度分別為285 kJ mol-1和213 kJ mol-1）。因此，烷基氯化物的應用受到了限制。光氧化還原催化是合成具有不同結構的有機化合物的常用方法。但是，穩定的碳-氯鍵超出了外層光還原活化的能量極限。
近日，雷根斯堡大學Burkhard König，Werner Kunz等研究發現，在微結構化的水溶液中反應物種可以通過組裝促進單電子轉移，在雙鍵存在的情況下，將非活化的烷基氯活化成以碳為中心的自由基。作者設計了由表面活性劑，有機底物和添加劑組成的光催化系統，並應用於自由基脫氯，加成和環化反應。作者使用廉價且可商購的藍色發光二極體用作光催化轉化的光源。機理研究表明，在一個催化循環中具有兩個可見光光子的能量積累。該工作為進一步將未活化的氯化物用作有機合成的烷基自由基鋪平了道路。
MaciejGiedyk, Werner Kunz,* Burkhard König,* et al. Photocatalytic activation ofalkyl chlorides by assembly-promoted single electron transfer inmicroheterogeneous solutions. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0369-5
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0369-5
6. Nat. Nanotech.: 雙面離子門控在懸浮MoS2雙層中誘導的約瑟夫森耦合伊辛配對
單層過渡金屬二硫化氫中的超導電性的特徵是通過強塞曼型自旋-軌道耦合引起的伊辛型配對。當兩個過渡金屬二滷化物層耦合時，會出現更多奇異的超導相，這取決於伊辛型保護層的比率和層間耦合強度。
格羅寧根大學J. T. Ye團隊在懸浮的MoS2雙層中誘導超導，並揭示了具有強伊辛型自旋-軌道耦合的耦合超導狀態。通過離子液體門控從兩側對稱地對雙層進行門控，可以改變層間相互作用，並以局部反轉對稱性破壞的方式訪問電子狀態，同時保持整體反轉對稱性。研究觀察到對伊辛保護層的明顯抑制，這證明了耦合的超導狀態。對稱門控方案不僅在兩個原子片中都誘發了超導性，而且還控制了層之間的約瑟夫森耦合，這導致了雙層中的尺寸交叉。
Josephsoncoupled Ising pairing induced in suspended MoS2 bilayers by double-sideionic gating Nature，Nanotechnology (2019)
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0564-1
7. Nat. Nanotech.: pH響應納米顆粒用於預防慢性疼痛
由於細胞內許多納米藥物的內體轉運機制，納米粒子介導的藥物遞送特別有利於內體中的靶標。於此，澳大利亞莫納什大學Nicholas A. Veldhuis，Thomas P. Davis和Nigel W. Bunnett教授合作設計了一種靶向酸化內體的且具有pH響應、柔軟的聚合物納米顆粒，以精確抑制導致慢性疼痛的內體信號傳導。在慢性疼痛中，P（SP）神經激肽1受體（NK1R）從質膜重新分布到酸化的內體，並在其中發出信號以維持疼痛。
因此，內體中的NK1R為緩解疼痛提供了重要的靶點。pH響應納米顆粒通過網格蛋白和動力蛋白依賴性內吞作用進入細胞，並在含NK1R的內體中積累。鞘內注射到齧齒動物後，包含FDA批准的NK1R拮抗劑aprepitant的納米顆粒抑制了SP誘導的脊髓神經元活化，從而防止疼痛傳播。用納米顆粒進行治療可從傷害性、炎症性和神經性傷害感受中完全持久地緩解，並為慢性疼痛提供了一種急需的非阿片類藥物治療的選擇。
Ramírez-García, P.D., Retamal, J.S., Shenoy,P. et al. ApH-responsive nanoparticle targets the neurokinin 1 receptor in endosomes toprevent chronic pain. Nat. Nanotechnol. (2019)
DOI: 10.1038/s41565-019-0568-x
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0568-x
8. Nature Physics: 鐵旋轉階與二階非線性光學場耦合的研究
鐵階可以通過它們的階參數的對稱性來分類，並且已經觀察到鐵電，鐵磁和鐵環階。鐵磁旋轉階數是要識別的最終鐵磁並且具有矢量階數參數。該階數與許多現象密切相關，但是到目前為止它很少受到關注。使用高靈敏度旋轉各向異性二次諧波發電，密西根大學Liuyan Zhao 團隊利用對二次諧波發電的電四極貢獻，以II型多鐵磁體RbFe（MoO4）2的原型直接耦合到該中心對稱鐵旋轉序。
研究發現，在臨界溫度Tc≈195 K時，具有相反鐵轉矢量的兩個疇狀態出現了不同的種群，並且在較低溫度下逐漸演變為達到均勻的比率。此外，已將鐵旋轉階躍相識別為弱一階，並揭示了其耦合場是感應電四極二次諧波生成和入射基本電場的獨特組合。
Observationof a ferro-rotational order coupled with second-order nonlinear optical fields，Nature Physics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0695-1
9. Nature Electronics: 16.5％效率！水系銀納米線電極的柔性有機光伏器件
有機電子設備的關鍵特徵是其機械靈活性。然而，柔性有機光電器件的性能仍落後於剛性基底上的器件的性能。這尤其是由於缺乏同時提供低電阻、高透明度和光滑表面的柔性透明電極。陳永勝團隊報導了使用水處理的銀納米線和聚電解質製成的柔性透明電極。由於離子靜電電荷的排斥，納米線在一個步驟中形成柵格狀結構，從而形成光滑，柔軟的電極，其薄層電阻約為10 Ω-1，透射率約為92％（不包括基底）。
為了說明該方法在有機電子學中的潛力，使用柔性電極構建有機光伏器件。該設備經過不同類型的供體和受體測試，其性能可與基於商用剛性電極的設備相媲美。此外，單結和串聯器件分別實現了13.1％和16.5％的效率。
Flexibleorganic photovoltaics based on water-processed silver nanowire electrodes，Nature Electronics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0315-1
10. Nature Electronics: 回音壁模增強沙漏形矽納米線的矽光電二極體
矽光電二極體廣泛用於需要測量可見光的強度，顏色和位置的應用中。矽由於其低成本，低噪聲以及易於與讀出電子設備進行片上集成而成為這些系統的誘人材料。但是，由於矽的帶隙為1.12 eV，因此矽不能有效地用於檢測近紅外（NIR，在700–1,000 nm）光和短波紅外（SWIR，在1,000–1,700 nm）的光。
浦項工科大學Chang-Ki Baek團隊報導了基於沙漏形矽納米線的矽光電二極體，該矽納米線使用回音壁模來增強其在光譜的NIR-SWIR區域中的光響應。該設備在700–1,100 nm處比現有的矽光電二極體具有更高的響應度和外部量子效率。此外，在1,000nm處的響應度與商用InGaAs光電二極體相似，並且還可以檢測到1,400 nm處的光。
Whisperinggallery modes enhance the near-infrared photoresponse of hourglass-shapedsilicon nanowire photodiodes，Nature Electronics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0317-z
11. Nat. Commun.：新型腫瘤選擇性級聯激活自滯留系統用於藥物傳遞和癌症成像
藥物遞送一直是人們關注的熱點問題。傳統的分子化療藥物和造影劑在體內會被快速代謝清除，所以生物利用度不到3%。納米藥物雖然具有被動靶向和主動靶向效應，但是在體內的滯留情況差強人意，很多情況下只有不到5％的注射劑量到達實體瘤。此外，大多數納米藥物通過非特異性攝入而沉積在肝臟和脾臟中，從而引起系統毒性。近日，國家納米科學中心趙宇亮院士、王浩研究員與哈爾濱醫科大學附屬第四醫院徐萬海的研究團隊合作，構建了一種新型腫瘤選擇性級聯激活自滯留系統（TCASS），用於腫瘤的診斷和治療。
在該系統中，小分子多肽經特異性識別腫瘤中過表達的X連鎖凋亡抑制蛋白(X-linkedinhibitor of apoptosis protein, XIAP)，該識別引發腫瘤細胞的caspase-3激活從而引發分子剪切，自組裝形成的納米纖維結構增強在腫瘤組織中的富集和滯留。系統研究了藥物靶向富集、腫瘤滲透和器官競爭行為，揭示其在腫瘤部位蓄積和滯留機制。TCASS與典型的納米載體材料相比，能增強腫瘤穿透能力，表現出高效的分子蓄積和滯留效應。同時，TCASS的代謝行為類似於小分子，可以從肝臟和腎臟迅速排洩，降低系統毒性。最後，作為一種藥物遞送系統，既可以增強傳統化療藥物(例如DOX)的治療效果，又可以降低其毒副作用。另外一方面通過偶聯造影劑，TCASS顯著提高了造影劑的特異性和敏感性，並在動物和人離體膀胱癌模型表現出良好的診斷效果。這項研究提供了一種全新腫瘤靶向機制，加速了納米藥物的應用步伐，為納米藥物的基礎研究和臨床轉化開闢了新思路。
Hong-Wei An, Li-Li Li, Yi Wang, et al. Atumour-selective cascade activatable self-detained system for drug delivery andcancer imaging. Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-12848-5
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12848-5
12. Nat. Commun.：將生物催化劑快速機械化學包封到堅固的金屬有機框架中
金屬-有機框架（MOFs）被認為是有吸引力的固體底物，因為具有高度可調性的MOFs骨架不僅可以充當惰性主體，還可以增強酶的選擇性，穩定性和/或活性。近日，上海科技大學Lien-Yang Chou，臺灣國立中央大學Fa-Kuen Shieh，波士頓學院Chia-Kuang Tsung等多團隊合作，使用機械化學策略將酶包封到堅固的MOFs中。作者通過球磨工藝將一系列酶（即β-葡萄糖苷酶，轉化酶，β-半乳糖苷酶和過氧化氫酶）封裝在ZIF-8，UiO-66-NH2或Zn-MOF-74中。
該固態機械化學策略不僅速度快，並且在合成過程中最大限度地減少了有機溶劑和強酸的使用，從而允許將酶封裝到三個典型的堅固的MOFs中，同時保持酶的生物活性。作者證明了包封的酶的活性，並且即使在酸性條件下也顯示出對蛋白酶的增加的抗性。該工作創建了一種構建MOFs生物分子複合材料的方法，為MOFs生物分子複合材料用於各種工業過程提供了途徑。
Tz-HanWei, Shi-Hong Wu, Yi-Da Huang, Lien-Yang Chou*, Chia-Kuang Tsung,* Fa-Kuen Shieh,*et al. Rapid mechanochemical encapsulation of biocatalysts into robustmetal–organicframeworks. Nat. Commun., 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-12966-0
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12966-0
13. Nat. Commun.: 結構水和無序結構助力基於水鈉錳礦的水系鈉離子電池
水鈉錳礦是一種低成本，環保的水系電化學儲能層狀材料。然而，由於其在水系電解質中小的窗口和低氧化還原活性，其儲存能力很差。新罕布夏大學Xiaowei Teng等人報導了用於鈉離子水溶液電化學存儲的富含鈉的無序水鈉錳礦（Na0.27MnO2），其容量和循環壽命大大提高（全電池中循環5000次後有83 mAh g-1）。
中子總散射和原位X射線衍射測量表明，結構水和富含Na的無序結構都有助於改善當前正極材料的電化學性能。特別是在高電勢充電過程期間，水合水和鈉離子的共脫嵌導致層間距離的縮小，從而穩定了層狀結構。該結果為無序結構和結構水如何改善層狀電極中的鈉離子存儲提供了真正的認識，並為改善水性電池打開了方向。
XiaoqiangShan, Fenghua Guo, Daniel S. Charles, Zachary Lebens-Higgins, Sara Abdel Razek,Jinpeng Wu, Wenqian Xu, Wanli Yang, Katharine L. Page, Joerg C. Neuefeind,Mikhail Feygenson, Louis F. J. Piper, Xiaowei Teng, Structural water anddisordered structure promote aqueous sodium-ion energy storage in sodium-birnessite,Nature Communications, 2019.
DOI:10.1038/s41467-019-12939-3
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12939-3
14. Nat. Commun.: 由二維材料中的界面擴散決定氧化還原控制的電荷摻雜
控制額外的電荷載流子對於操縱各種二維材料的電子，光學和磁性特性至關重要。但是，二維材料在空氣和酸中普遍存在的空穴摻雜在其細節方面一直存在爭議。浦項科技大學Sunmin Ryu等人證明了它們的共同起源是由氧和水分子的氧化還原對驅動的電化學反應。
研究者使用WS2的實時光致發光成像和石墨烯的拉曼光譜，捕獲了在二維材料與親水性底物之間的二維納米空間中的分子擴散，並表明後者容納了水分子，同時還充當了水合溶劑。此外還證明根據能斯特方程，HCl誘導的摻雜受溶解的O2和pH值控制。
KwangheePark, Haneul Kang, Seonghyun Koo, DaeEung Lee, Sunmin Ryu, Redox-governedcharge doping dictated by interfacial diffusion in two-dimensional materials,Nature Communications ,2019.
DOI:10.1038/s41467-019-12819-w
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12819-w