材料中的電荷密度分布決定了它們的化學鍵，電子傳輸以及光學和機械性能。假設樣品在光束照射區域內是完全均勻的，則可以通過X射線或電子衍射技術通過擬合它們的結構因子來間接測量散裝材料的電荷密度。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的最新發展使我們能夠看到化學鍵，但僅在表面上。因此，解決具有不完善的晶體結構的納米結構和功能材料中的電荷密度仍然是一個挑戰，例如，出現新物理的缺陷，界面或邊界的結構。
近日，加州大學爾灣分校Ruqian Wu和Xiaoqing Pan 描述了一種現實空間成像技術的發展，該技術可以使用掃描透射電子顯微鏡和角度分辨像素化快速電子檢測器直接繪製晶體材料的局部電荷密度。使用該技術，研究人員對SrTiO3 / BiFeO3異質結中的界面電荷分布和鐵電極化進行了成像，並發現了由於BiFeO3極化場的穿透而在界面處產生的電荷積累，這通過與密度泛函理論計算。在這項工作中建立的電荷密度成像方法使電子顯微鏡技術從檢測原子到成像電子，為研究結晶固體中的局部鍵合開闢了一條新途徑。
Gao, W. Wu, R. Pan, X. et al. Real-space charge-density imagingwith sub-ångstrom resolution by four-dimensional electron microscopy. Nature2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1649-6
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1649-6_reference.pdf
2. Nat. Mater.: 通過拓撲絕緣體表面上的圖像電勢狀態進行機械耗散
電阻加熱導致的焦耳能量損耗在當今的電子設備中無處不在，而量子力學耗散在很大程度上尚未得到開發研究。巴塞爾大學D. Yildiz和M. Kisiel團隊通過實驗觀察到由於拓撲保護的表面狀態，Bi2Te3中的焦耳耗散受到抑制。通過擺式原子力顯微鏡觀察到了不同類型的耗散機制，這與單電子隧穿共振轉變為比Bi2Te3表面略高的圖像電勢態有關。
施加磁場會導致表面狀態的拓撲保護失效，並恢復預期的焦耳耗散過程。擺式原子力顯微鏡的懸臂經歷的納米機械能耗散為拓撲絕緣子表面上的量子隧道現象的耗散性質提供了豐富的信息源。這意味著將機械振蕩器耦合到通用量子材料。
Mechanicaldissipation via image potential states on a topological insulator surface,Nature Materials (2019)
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0492-3
3. Nat. Mater.：具有開放銅位點的堅固的MOFs中SO2的可逆配位結合和分離
煙道氣和海洋運輸中的SO2排放會對環境和人類健康產生不利影響，同時SO2也是重要的工業原料，因此有效地回收，儲存和運輸SO2具有重要意義。今日，曼徹斯特大學Martin Schröder，Sihai Yang等報導了具有吸附和脫附SO2性能的多孔材料[Cu2（L）]（H4L =4′,4‴-(pyridine-3,5-diyl)bis([1,1′-biphenyl]-3,5-dicarboxylicacid))，MFM-170。
MFM-170在298 K和1.0 bar可實現17.5 mmol g-1的完全可逆的SO2吸脫附，且SO2在MFM-170中的結合區域已確定。作者發現SO2可逆配位到開放的Cu（II）位點，這使MFM-170具有出色的吸附熱力學，利於SO2的選擇性結合以及解吸後MFM-170的快速再生。進一步實驗發現，MFM-170對水，酸和鹼均穩定；突破性實驗證實，MFM-170有望從模擬煙氣混合物中動態分離出SO2。
Smith,Jennifer E. Eyley, Sihai Yang,* Martin Schröder*, et al. Reversiblecoordinative binding and separation of sulfur dioxide in a robust metal–organic framework with opencopper sites. Nat. Mater., 2019
DOI: 10.1038/s41563-019-0495-0
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0495-0
4. Nat. Catal.: 光催化區域、立體選擇性C(sp3)- H官能化
惰性C(sp3) -H鍵的選擇性官能化在有機合成和催化科學中極具吸引力，但是，通過催化C(sp3) -H功能化將缺乏導向基團的烴類轉化為手性分子具有極大的挑戰性。為了解決這一問題，廈門大學龔磊課題組開發了一種由氫轉移有機光催化劑和金屬配合物手性催化劑組成的光化學系統。
在雙催化劑和亞胺的作用下，苄基、烯丙基類化合物以及烷烴等一系列化合物都可以轉化為功能化的手性產物。含有銅以及其他金屬的催化劑對這些惰性碳氫鍵表現出精確的區域識別和不對稱誘導。該體系適用於許多化合物，包括小分子烴、支鏈烷烴、環烷烴甚至是複雜的藥物分子。該方法從最基本的化學原料出發，提供了一種經濟、快速構建光學活性化合物的方法。
YanjunLi, Meng Lei & Lei Gong. Photocatalytic regio- and stereoselectiveC(sp3)–H functionalizationof benzylic and allylic hydrocarbons as well as unactivated alkanes. NatureCatalysis. 2019
DOI:10.1038/s41929-019-0357-9
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0357-9
5. Nat. Catal.：堆積缺陷活化Ag催化劑，激發其優於商用Pt/C催化劑的HER性能
高活性和低成本的HER催化劑是電化學水分解產氫的關鍵。當前，用於析氫反應的最佳催化劑是金屬鉑基催化劑，其高價格嚴重限制了大規模應用。近日，天津大學杜希文，劉輝等報導了一種在酸性介質中具有優異HER活性和耐久性的銀催化劑，其性能優於市售的Pt/C催化劑，尤其是在高施加電壓下。
作者採用一種物理技術，即液體中雷射燒蝕，在銀納米顆粒中產生高密度的堆積缺陷。堆積缺陷會導致Ag的低配位數和高拉伸應變，提高了吸附能並將非活性Ag轉化為高活性催化劑。鑑於其高活性，導電性，耐用性和低價格，該Ag催化劑可以作為工業上商用Pt/C催化劑的有前途的替代品。
ZheLi, Hui Liu*, Xi-Wen Du,* et al. A silver catalyst activated by stacking faultsfor the hydrogen evolution reaction. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0365-9
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0365-9
6. Nat. Nanotech.:應力條件下鋰晶須的形成與生長
鋰金屬具有最低的氧化還原電勢和很高的理論比容量，這使得其成為新一代二次電池負極材料的最佳選擇。然而，鋰負極在電池中的實際應用受到了晶鬚生長的阻礙。這種晶鬚生長會消耗電解液、消耗活性金屬鋰，甚至會造成電池短路。要成功地解決這些問題，就必須充分了解Li晶須在隔膜的機械約束下的形成機理和生長規律。
在本文中，美國西北太平洋國家實驗室的Wu Xu和Chongmin Wang 等通過將原子力顯微鏡懸臂梁耦合到環境透射電子顯微鏡中的固體開孔單元中捕獲了Li晶須在彈性約束下的成核和生長行為。他們發現鋰沉積是由單晶鋰粒子的緩慢成核引起的，沒有優先的生長方向。但是他們發現Li的緩慢的表面傳質對隨後的沉積形貌起著決定性的作用。然後，作者使用一系列碳酸鹽摻雜的醚基電解質來探索這些發現在實際電池中的有效性。最後，他們證明了Li晶須在一定的彈性約束下可以屈服、彎曲、扭結或停止生長。
YangHe, Wu Xu, Chongmin Wang et al, Origin of lithium whisker formation and growthunder stress, Nature Nanotechnology,2019
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0558-z
7. Nat. Nanotech.：非貴金屬氫催化劑用於商用聚合物電解質膜電解槽
大規模聚合物電解質膜（PEM）水電解槽的現代商業化代表了數十年基礎科學研究的成果，涉及催化劑，膜，電極結構和膜電極組件（MEA）等。近日，史丹福大學報導了一種低成本，非貴金屬的磷化鈷（CoP）催化劑從1 cm2的實驗室規模的實驗到商業規模的86 cm2的聚合物電解質膜（PEM）電解槽的轉換。
作者採用兩步塊體合成以在高表面積碳載體上製備CoP，該載體很容易集成到工業PEM電解槽製造過程中。作者將CoP的性能與鉑基PEM在相同的工作條件（400 psi，50℃）下進行了比較。實驗發現，CoP具有高活性和穩定性，在1.86 A cm-2的條件下連續產氫> 1,700 h，同時相對於鉑節省了大量材料成本。該工作為了過去幾十年來開發的非貴重的析氫催化劑的商業應用提供了參考。
LaurieA. King, McKenzie A. Hubert, J Thomas F. Jaramillo*, et al. A non-precious metal hydrogen catalyst in a commercial polymerelectrolyte membrane electrolyser. Nat. Nanotech., 2019
DOI: 10.1038/s41565-019-0550-7
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0550-7
8. Nat. Photon.：這回鈣鈦礦做助攻，高效近紅外膠體量子點發光二極體
半導體膠體量子點（CQD）具有尺寸和組成可調的高色純度發光。重要的是，它們的發射可以深入近紅外（NIR-II）（1,000-1,7001nm）中。然而，迄今為止的低效率阻礙了其應用。近日，希臘德謨克利特國家科學研究中心MariaVasilopoulou聯合克裡特島大學Athanassios G. Coutsolelos、慶熙大學Abd. Rashid bin Mohd Yusoff報導了NIR-II CQD發光二極體，其外部量子效率為16.98％，在波長1,397 nm處的功率轉換效率為11.28％。其高性能通過器件工程實現。
該技術可提供高的光致發光量子產率和接近於完美的電荷平衡。更具體地說，研究人員採用了一種二元發射層，該發射層由分散在鈣鈦礦基質中的二氧化矽封裝的硫化銀（Ag2S @ SiO2）CQD組成，該基質用作附加的鈍化介質和為發光CQD提供載流子。空穴注入觸點還具有薄的卟啉夾層，以平衡器件電流並增強載流子的輻射複合。
Vasilopoulou, M. et al. Efficient colloidal quantum dotlight-emitting diodes operating in the second near-infrared biological window.Nat. Photon. 2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0526-z
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0526-z
9. Nat. Photon.：飛秒孤子分子的共振激發和全光轉換
有限結構的出現和圖案的形成是在各種物理，化學和生物系統中發現的非線性相互作用的特殊表現。由於存在光學非線性，孤子可以實現光的超短時間限制和穩定的傳播，儘管存在色散。這樣的顆粒狀結構可以穩定排列，形成「孤子分子」。最近的工作揭示了這些鍵合態的內部振蕩運動，類似於分子振動，這引發了一個問題，即「分子」的類比能到達多遠，即是否應用了分子光譜學的進一步概念以及這種分子內動力學是否可以從外部驅動或操縱。
近日，德國拜羅伊特大學G. Herink研究團隊使用實時頻譜幹涉測量法和時間相關的激發來探測和控制光振蕩器中的超短束縛態。對於掃頻泵浦調製，研究人員分析了非線性響應並解決了孤子相互作用中的不諧和現象，這導致了泛音和次諧波的產生。應用更強的刺激，研究人員展示了具有不同結合間隔的狀態之間的全光學切換。這些結果可用於快速脈衝對的產生，並可刺激未來超快科學儀器的發展。
Kurtz,F. Ropers, C. Herink, G. Resonant excitation and all-optical switching of femtosecondsoliton molecules. Nat. Photon.2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0530-3
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0530-3
10. Nat. Chem.：具有仿生反應性的含平面三配位鐵的[4Fe-3S]團簇
鐵硫簇具有還原小分子底物的反應位點。但是，典型的鐵硫簇的四配位鐵位點很難以與底物反應，這意味著三配位鐵具有高活性。這種想法未經檢驗，因為完全有硫化物配位的三配位鐵是還未見報導。近日，耶魯大學Patrick L. Holland等報導了一種具有一個與硫化物三配位的鐵中心的新型[4Fe-3S]團簇，並使用晶體學，光譜學和從頭算計算來表徵該團簇。
其它鐵硫簇高旋轉電子結構，但該[4Fe-3S]團簇因其平面幾何形狀和短的Fe-S鍵，其三配位鐵中心具有令人驚訝的低旋轉電子構型。仿生反應性實驗發現，[4Fe-3S]團簇可還原肼這一固氮酶的天然底物，該產品是NH2與鐵硫團簇結合的第一個例子。該工作表明，由硫化物供體支撐的三配位鐵是在鐵-硫團簇（如固氮酶的FeMoco）中發生反應的合理前體。
DanielE. DeRosha, Patrick L. Holland*, et al. Planar three-coordinate ironsulfide in a synthetic [4Fe-3S] cluster with biomimetic reactivity. Nat.Commun., 2019
DOI: 10.1038/s41557-019-0341-7
https://www.nature.com/articles/s41557-019-0341-7
11. Nat. Electronics: 使用基於憶阻器的儲層計算系統進行時間數據分類和預測
從金融到工程領域，包括預測在內的時間序列分析至關重要。但是，很難進行長期預測，尤其是對於基本模型和參數複雜且未知的情況。神經網絡可以以時間單位有效地處理特徵，並且對於此類目的具有吸引力。尤其是，儲層計算可以以較低的培訓成本提供對遞歸神經網絡的高效時間處理，因此非常適合於時間序列分析和預測任務。
近日，美國密西根大學Wei D.Lu研究團隊報導了基於動態氧化鎢（WOx）憶阻器的儲層計算硬體系統，該系統可以有效地處理時間數據。WOx憶阻器的內部短期記憶效應使基於憶阻器的儲層可以將時間輸入非線性映射到儲層狀態，在此可以通過線性讀出函數輕鬆處理投影特徵。研究人員使用該系統以實驗方式演示了兩個標準基準測試任務：具有部分輸入的孤立語音識別和混沌系統預測。語音數字識別的分類準確率高達99.2％，並且已經證明了長期以來自主的混沌時間序列預測。
Moon,J. Lu, W. D. etal. Temporal data classification and forecasting using a memristor-basedreservoir computing system.Nature Electronics 2019.
DOI: 10.1038/s41928-019-0313-3
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0313-3
12. Nat. Commun.: 如何控制單分子旋轉
分子的取向在很多化學過程中都扮演著十分關鍵的角色。在本文中，美國萊斯大學的James M. Tour與奧地利格拉茨大學的Leonhard Grill等向人們展示了如何利用掃描隧道顯微鏡的電場以最大的精度對單偶極分子進行定向。他們所選取的研究對象的分子中存在著氧原子，這種氧原子與基底的Ag(111)晶面之間存在特殊的相互作用，分子定向旋轉就發生在這個作用為點上。
研究發現，單偶極分子在兩個旋轉方向上都能夠以100%的方向隨意實現。因此，單個分子的內偶極矩可以通過其在外加電場中的行為進行空間映射。氧-表面相互作用的重要性可以通過在單個分子和表面之間添加銀原子以及由此導致的支點損失得到證明。
GrantJ. Simpson, James M. Tour, Leonhard Grill et al, How to control single-moleculerotation, Nature Communications, 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12605-8