纵览Nature150年——化学、材料与物理封面故事

1)   不成功的化学反应方法所具有的价值

Raccuglia P, Elbert K C, Adler P D F, et al. Machine-learning-assisted materials discovery using failed experiments[J]. Nature, 2016, 533(7601): 73.

很多化学反应从未进入过期刊文章的“方法”部分，因为它们被认为是 “不成功的”。然而，这种反应仍能为产物形成所需反应条件的界线提供有价值的信息。Alexander Norquist及同事从实验室笔记本中抽出了一组这种 “暗反应” (特别是有关模板化的亚硒酸钒之形成的这种反应)，通过化学信息和性能丰富了这方面的数据。然后，他们采用用这个暗反应数据集训练过的一个机器学习算法来预测反应结果。该算法能够以比人类直觉更大的准确度来预测一个反应是会成功还是失败。这项研究既显示了不成功合成反应方法的广泛传播所具有的价值，也显示了利用机器学习来以比传统手段更快的速度得到潜在合成路径的可能性。

2)   手性等离子体激元金纳米粒子的氨基酸及肽指导的合成

Lee H E, Ahn H Y, Mun J, et al. Amino-acid-and peptide-directed synthesis of chiral plasmonic gold nanoparticles[J]. Nature, 2018, 556(7701): 360.

纳米制造技术的进步使手性研究从有机化学中的传统“镜像”分子延伸到三维金属纳米结构。与具有手性的有机物类似，这些金属结构表现出光学活性，每种镜像形式与圆偏振可见光的相互作用都不一样。这种光学活性源于等离子体激元效应，而后者源于结构形态影响材料中电子振荡的方式。在本期《自然》中，Ki Tae Nam及其同事展示了一种基于溶液的合成均相高手性金纳米粒子并控制其各自毒性的方法，或将为手性传感和主动式彩色显示应用带来新的机会。

3)   催化置换反应打破有机化学合成规则

Wendlandt A E, Vangal P, Jacobsen E N. Quaternary stereocentres via an enantioconvergent catalytic SN 1 reaction[J]. Nature, 2018, 556(7702): 447.

4)   元素周期表诞生150周年

https://www.nature.com/nature/volumes/565/issues/7741

在世界各地的化学实验室和课堂中随处可见的元素周期表今年150岁了。当德米特里·门捷列夫在1869年发表第一张元素周期表时，当时的科学界只认识63种元素，而如今已有118种。本期《自然》将走近元素周期表的过去、现在和未来——从门捷列夫之前就存在的原子概念说起，到研究人员扩展该表时所遇到的种种困难；也将深入考察元素排列方式背后的真正组织原则，以及它超越科学疆界的影响力。无论创造新超重元素的未来如何，探索元素特性的脚步绝不会停歇。这种探索深植于门捷列夫留下的宝贵财富，或将引领我们发现更精彩的世界。

1)   石墨烯自身从二维结构变成三维结构

Annett J, Cross G L W. Self-assembly of graphene ribbons by spontaneous self-tearing and peeling from a substrate[J]. Nature, 2016, 535(7611): 271.

封面所示为来自一个单层主体石墨烯层的三个 “丝带”的并行自组装。20多年前，人们设想石墨烯可被折叠和剪切成有用形式，如一种纳米尺度的折纸。在本期Nature上，James Annett 和Graham Cross描述了一个系统，其中单层石墨烯能在稳定的热力学机制驱动下，通过折叠、滑动和撕破的过程将自身重组成三维结构。当一小片石墨烯被折叠接触到其本身时，它自然会开始滑动，并在这个过程中撕成一条带状结构，就像丝带一样。当一个动能能障消除时，这种二维材料能合并成我们更熟悉的三维分层形式。这一发现有望成为以机械方式促动二维材料的新机制以及将它们组装成复杂三维架构的新方式。

2)   远程磊晶与材料层转移

Kim Y, Cruz S S, Lee K, et al. Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer[J]. Nature, 2017, 544(7650): 340.

封面所示为通过远程磊晶重复生产柔性薄膜的艺术想象图。磊晶虽然在半导体行业中被广泛使用，但其成本仍将这一技术限制在了少数几种材料上。在本期《自然》中，Jeehwan Kim及其团队提出了一种克服这一限制的可能方法。他们在底物和在其上生长的磊晶层间放置单层石墨烯。石墨烯层不会影响磊晶的生长，但重要的是，它能让生成的薄膜更容易从底物上脱离，使得底物能被再次利用。这种从底物“复制粘贴”半导体薄膜，并将其转移到人们需要的底物上的技术，或将有助于光子学上的异质结合与柔性电子器件的发展。

3)   最强镁合金

Wu G, Chan K C, Zhu L, et al. Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys[J]. Nature, 2017, 545(7652): 80.

封面所示为利用透射电子显微镜捕捉到的超强镁合金薄膜的微观结构。这种合金由双相纳米结构造就，强度接近理论极限。纳米构筑晶态金属合金能得到高强度的材料，但随着应变的增强，这种材料往往会软化。吕坚及其团队将纳米晶体与单相非晶态金属玻璃的优势结合起来，制备出了一种双相材料——MgCu2纳米晶粒（直径6 nm）包裹在非晶态玻璃壳（厚度2 nm）中，得到迄今为止强度最大的镁合金薄膜。

4)   利用分子动力学模拟探测金属塑性极限

Zepeda-Ruiz L A, Stukowski A, Oppelstrup T, et al. Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations[J]. Nature, 2017, 550(7677): 492.

封面所示为一张错综复杂的晶格缺陷（位错线）网络，其运动使金属钽在压缩下流动。金属塑性变形的全动态原子模拟对计算要求极高，且通常涉及中尺度近似化。本期，Vasily Bulatov及同事展示了对金属塑性的全动态原子水平模拟，涉及多达2.68亿个原子，每一次这样的模拟会产生大约2艾字节的数据（1艾字节=1018字节）。作者研究发现，当达到一定极限条件时，位错便不再能够缓解机械载荷，而另一种变形机制——变形孪晶则成为代替其动态响应的主要模式。他们还发现在这个极限条件以下，金属的流动应力和位错密度达到一个稳定状态，在这种状态下，金属就像一块面团一样可以被无限揉搓。

5)   善变的艺术家

Kim Y, Yuk H, Zhao R, et al. Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials[J]. Nature, 2018, 558(7709): 274.

软材料可以根据不同的刺激在不同的3D形状之间切换，有望应用于机器人学、电子和生物医学领域。但是这种形变速度较慢，有时候可能需要几分钟才能完成。在本期《自然》中，赵选贺及其同事报告了一种特殊的技术，利用该技术制造的软材料可以在磁场的作用下，在不到一秒的时间内实现快速可逆的形变。研究人员使用3D打印技术将铁磁性钕铁硼微粒嵌入硅橡胶基体内。通过在打印阶段控制微粒的排列，研究人员可以设定打印对象的不同区域实现特定的形变，由此制造的材料可以执行一系列动作，包括滚动、跳跃和抓住物体。