解读：新鲜出炉的诺奖级材料科研成果

汤森路透是使用定量数据来分析和预测年度诺贝尔奖得主的唯一机构。每年，该机构都会根据来自权威的引文数据库 Web of Science 的数据进行定量分析，以确定诺贝尔奖学科领域中最具影响力的研究人员。根据其发表的研究成果的总被引频次，这些高影响力研究人员被授予汤森路透引文桂冠得主(Citation Laureates)称号，预示着他们可能成为不久将来的诺贝尔奖得主。

根据所发表论文在过去二十年间的被引次数，汤森路透引文桂冠得主(Citation Laureates)通常名列其研究领域科研人员前千分之一(0.1%)，评选依据是过去20年他们所发布论文的引用情况。自2002年以来，每年发布的引文桂冠奖已成功预测了43位诺贝尔奖得主。有的是在获得该奖的几年后摘得诺贝尔奖，有的则在当年“应验”。著名华人科学家钱永健就曾在2008年先后获得“引文桂冠奖”和诺贝尔奖。

伦敦时间2020年9月23日，科睿唯安公布了2020年度“引文桂冠奖”名单，来自六个国家的24名世界顶尖研究人员获得此殊荣。让我们来看看材料研究领域未来的诺奖会发生在哪些领域。

碳和氮化硼纳米管的制造和新奇应用

获奖人：

美国斯坦福大学

Hongjie Dai

美国加州大学伯克利分校物理学教授、加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室

Alex Zettl

1. Nat. Mater.:在超净、正在生长的悬浮碳纳米管中进行电子传输

迄今为止，单壁碳纳米管已显示出大量的量子传输现象。具有良好行为或可调节金属触点的无缺陷，不受干扰的单壁碳纳米管对于探测纳米管的内在电学性能至关重要。由于存在许多障碍和随机因素，实验上满足这些条件并非易事。美国斯坦福大学的Hongjie Dai发现在金属触点之间的位置上生长的〜1µm长的完全悬浮单壁碳纳米管，其器件具有良好的特性，其能量范围比固定在基板上的纳米管要宽得多。在真实金属，小带隙和大带隙半导体纳米管中，观察到各种低温传输方式，包括由于Aharonov-Bohm效应而引起的量子场的壳填充、分裂和交叉。干净的传输数据显示了单壁碳纳米管器件中接触结电阻与各种传输方式之间的相关性。此外，作者认为电传输数据可用于探测纳米管的能带结构，包括非线性能带色散。

文献链接：

Electron transport in very clean, as-grown suspended carbon nanotubes

Nature Materials, 2005, 10.1038/nmat1478

2. Physics Today:氮化硼纳米管的物理学研究

量身定制的材料长期以来一直是凝聚态物理的核心。它们通常会带来有关控制物理性质（天然和合成材料）的基础物理学的新见解，有时还会为应用提供新的机会。随着材料尺寸接近原子级，并且量子尺寸效应影响电子彼此之间的相互作用，有趣的物理学始终会出现。尺寸和对称性限制也会影响电子行为。合成固有的亚稳态纳米结构并对其进行结构，光学，热，电子或机械特征表征是具有挑战性的，但是该领域取得了令人瞩目的进展。

氮化硼纳米管（BNNT）的例子很好地说明了理论和实验研究如何导致发现一种新材料，该新材料开辟了通往奇特材料特性，引人入胜的新现象和独特应用的道路。科学家们在1994年的预测中可能存在BNNT，第二年又成功地合成了BNNT，这一事实使人们相信为大块固体开发的计算技术应适用于纳米级物体。因此，标准的理论模型和工具起作用了。从那时起，BNNT的研究一直很活跃，并且肯定在不久的将来会大大增长。

文献链接：

The physics of boron nitride nanotubes

Physics Today, 2010, 10.1063/1.3518210

广泛应用在物理、生物和医疗系统领域具有精确属性的纳米晶体的合成

获奖人：

美国麻省理工学院

Moungi G. Bawendi

美国宾夕法尼亚大学

Christopher B. Murray

韩国首尔国立大学

Taeghwan Hyeon

3. Angew. Chem. Int. Ed.:蓝色发光缺陷纳米晶体

铜基三元（I–III–VI）硫族化物纳米晶体（NCs）是成分灵活的半导体，不含铅（Pb）或镉（Cd）。 Cu-In-S NCs是该重要材料类别中被研究最多的成员，并且据报道包含光学活性缺陷状态。然而，关于无In成分具有有效光致发光（PL）的报道很少。美国麻省理工学院Moungi G. Bawendi

报道了由铜，铝，锌和硫组成的4nm缺陷纳米晶体（DNC）的阳极溶液相合成，量子产率为20％，PL最大值为450 nm。广泛的光谱表征表明，存在高度局部化的电子态，导致相当快的PL衰减（1ns），较大的振动能量间隔，较小的斯托克斯位移以及与温度无关的PL线宽和PL寿命（在室温和5K之间）。此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，PL跃迁是由CuAl5S8晶格内的缺陷引起的，这支持了对高局域态的实验观察。此处报道的结果提供了一种具有独特光电特性的新材料，该材料是经过充分研究的Cu-In-S NC的重要类似物。

文献链接：

Blue Light Emitting DefectiveNanocrystals Composed of Earth-Abundant Elements

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201911436

4. ACS Nano:通过Au_xAg_1-x纳米颗粒掺杂对PbSe纳米晶体固体中的电荷传输进行调制

纳米晶体（NC）固体是一类令人兴奋的材料，其物理性质可以通过选择NC和粒子间耦合的强度来进行调整。可以将这些NC视为“人造原子”，类似于从原子形成冷凝物。类似于原子掺杂，用杂质NC掺杂半导体NC固体会极大地改变其电子性能。通过调整构件的大小，形状和组成，可以在这些人工结构中实现高度的复杂性，从而使具有目标特性的“设计者”材料成为可能。美国宾夕法尼亚大学Christopher B. Murray介绍了使用一系列Au_xAg_1-x合金纳米颗粒（NPs）对PbSe NC固体进行的掺杂。温度依赖性电导率和Seebeck系数测量以及室温霍尔效应测量的结合表明，金属NP的掺入既可以改变NC固体的电荷载流子密度，也可以为电荷传输引入能垒。这些研究表明从金属NP向PbSe NC基质注入载流子。通过使用具有不同Au:Ag比的Au_xAg_1-x NP作为掺杂剂，可以在很宽的范围内调节掺杂NC固体中的载流子密度和电荷传输动力学。对于利用金属NP引入的能量过滤效应的热电应用而言，这种掺杂策略可能会引起极大的兴趣。

文献链接：

Charge Transport Modulation in PbSe Nanocrystal Solids by Au_xAg_1−x Nanoparticle Doping

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201911436

5. Nature:通过几何失配应变设计和合成纳米晶粒

与晶界相关的拓扑缺陷（GB缺陷）对纳米晶体材料的电，光，磁，机械和化学性质的影响是众所周知的。然而，通过实验来阐明这种影响是困难的，因为晶粒通常表现出大范围的尺寸，形状和随机的相对取向。韩国首尔国立大学Taeghwan Hyeon证明了对胶体多面体纳米晶体的异质外延进行精确控制可以使晶粒有序生长，从而可以生产出具有均匀GB缺陷的材料样品。作者用包含Co3O4纳米立方核的多颗粒纳米晶体来说明这个方法，该核在每个面上都带有Mn3O4壳。各个壳是与对称性相关的相互连接的晶粒，相邻四方Mn3O4晶粒之间的大几何错位导致在Co3O4纳米立方核的锋利边缘处形成倾斜边界，这些倾斜边界通过错位连接。作者确定了控制这些高度有序的多晶粒纳米结构生产的四个设计原则。首先，衬底纳米晶体的形状必须指导过度生长相的晶体学取向。其次，衬底的尺寸必须小于位错之间的特征距离。第三，过度生长相与基底之间的不相容对称性增加了晶粒之间的几何杂波应变。第四，对于在接近平衡条件下形成GB的情况，需要通过通过配体钝化增加的弹性能来平衡壳的表面能。利用这些原理，作者生产出一系列包含明显GB缺陷的多晶粒纳米晶体。

文献链接：

Design and synthesis of multigrain nanocrystals via geometric misfit strain

Nature, 2020, 10.1038/s41586-019-1899-3

对有机金属化学的贡献，特别是通过钯催化实现胺与芳基卤化物偶联形成碳—氮键的布赫瓦尔德-哈特维希反应

获奖人：

美国麻省理工学院

Stephen L. Buchwald

美国加州大学伯克利分校

John F. Hartwig

6. Science:通过钯氧化加成配合物实现药物多样化

钯催化的交叉偶联反应已经改变了对化学空间的探索，从而寻找了材料，药物，化学探针和其他功能分子。然而，稠密官能化底物的交叉偶联仍然是一个主要挑战。美国麻省理工学院

Stephen L. Buchwald设计了一种替代方法，使用化学计量的衍生自药物或类似药物的芳基卤化物的钯氧化加成络合物（OAC）作为底物。在大多数情况下，与类似的催化反应相比，使用OAC进行的交叉偶联反应在较温和的条件下进行且具有更高的成功率。OAC具有出色的稳定性，可在环境条件下台式放置数月后保持其活性。作者证明了OAC在多种实验中的效用，包括利伐沙班衍生的OAC与数百种不同亲核试剂之间的自动纳摩尔级偶联以及天然产物k252a的后期衍生化。

文献链接：

Pharmaceutical diversification via palladium oxidative addition complexes

Science, 2019, 10.1126/science.aac6153

7. Nature:通过C-F键活化来脱除二氟亚甲基

含有一个氟原子的叔立体中心对于医学化学很有价值，因为它们模仿了含有一个氢原子的普通的立体中心，但是它们具有独特的电荷分布，亲脂性，构象和代谢稳定性。尽管通常通过一个亚甲基的两个碳氢（C–H）键之一通过对映选择性去对称化反应来设置一个含氢原子的叔立体中心，但尚未通过在一个位置进行类似的不对称化反应来构建一个含氟尿嘧啶的叔立体中心。二氟甲亚甲基的两个碳氟鸟嘌呤（CF）键中的一个。氟原子的大小与氢原子相似，但具有不同的电子特性，导致CF键非常牢固，而双键CF键则相互加强。因此，穷举脱氟通常比单个C-F键的选择性取代占主导地位，这阻碍了一个氟原子对映体选择性取代形成立体中心的发展。美国加州大学伯克利分校John F. Hartwig报道了烯丙基二氟甲亚甲基中单个C-F键的催化，对映选择性活化，从而提供了包含单氟甲酸酯化叔立体中心的多种产品。通过将控制区域选择性，化学选择性和对映选择性的手性铱亚磷酰胺催化剂与适合于C-F键氧化加成的亲氟活化剂结合，这些反应可以高收率和选择性地进行。在这项工作中提出的设计原则扩展到钯催化的苄基取代，证明了该方法的普遍性。

文献链接：

Desymmetrization of difluoromethylene groups by C–F bond activation

Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2399-1

从自然界获取灵感，通过自组装策略，促进超分子化学的发展

获奖人：

日本东京大学分子科学研究所

Makoto Fujita

8. Nat. Chem.:分子笼内扭曲酰胺的反应性增强

当酰胺基团偏离其平面构象时，氮孤对与羰基的π*轨道之间的结合被破坏，对亲核试剂的反应性增强。尽管有关于活化的扭曲酰胺的合成的一些报道，但是通过机械扭曲进行的酰胺活化很少见。日本东京大学分子科学研究所Makoto Fujita报道了扭曲的酰胺，这些酰胺通过包含在自组装的配位笼中而得以稳定。当Td对称笼中包含仲芳族酰胺时，顺式-扭曲构型比跨平面构型更有利（如单晶X射线衍射分析所证明），表明该酰胺最多可扭曲34°。由于这种变形，酰胺的水解在被包含时被显着加速。

文献链接：

Enhanced reactivity of twisted amides inside a molecular cage

Nat. Chem., 2020, 10.1038/s41557-020-0455-y

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