1. 聚合物網絡中以金屬有機籠作為交聯的光切換拓撲結構
原標題：Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks
材料名稱：聚合物網絡
研究團隊：美國麻省理工學院 Jeremiah A. Johnson 研究組
聚合物網絡可具有一系列令人滿意的性能，例如機械強度、不同材料之間寬泛的組成多樣性、穩定的孔隙率、便利的加工性和廣泛的溶劑相容性。從下到上設計具有新結構基序和化學組成的聚合物網絡，可以用來賦予動力學特徵，例如延展性或自我修復或允許材料響應環境刺激。然而，許多現有系統僅表現出由材料的組成和拓撲定義的一種運作狀態；或者它們的響應性可能是不可逆轉的，且僅限於單個網絡特性（例如剛度）。Gu 等人利用協作自組裝作為設計原則來製造了可以在兩個拓撲狀態之間切換的材料。通過使用聚合物連接的金屬有機籠的網絡，其中籠在照射時改變形狀和尺寸，便可以用紫外線或綠光可逆地切換網絡拓撲。這種光開關可以同時在多個網絡特性中產生相干變化，包括分支功能、結點波動、缺陷容限、剪切模量、應力鬆弛特性和自我修復。拓撲切換材料可用於軟機器人和光致動器等領域，也可用於基礎聚合物物理研究的模型系統。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0339-0）
2. 單分子水平的電熒光機制
原標題：Electrofluorochromism at the single-molecule level
材料名稱：鋅-酞菁自由基陽離子
研究團隊：法國斯特拉斯堡大學 Guillaume Schull 研究組
分子光學性質和氧化態之間的相互作用對顯示器、傳感器和基於分子的存儲器等應用來說都非常重要。但對於發生在單分子水平上的基本機制一直難以探究。Doppagne 等人利用掃描隧道顯微鏡（STM）來表徵和控制吸附在覆蓋了氯化鈉的金（111）樣品上的單個鋅-酞菁自由基陽離子的熒光。並基於它們的熒光光譜鑑定分子的中性和氧化態，其中熒光光譜顯示出了非常迥異的輻射能量和電子振動特徵。帶電分子的輻射則是通過調節絕緣體的厚度和位於 STM 尖端頂點的等離子體來控制。此外，尖端位置的亞納米變化也用於研究充電和電致發光機制。（Science DOI: 10.1126/science.aat1603）
3. 使高效有機太陽能電池中電壓損失最小化的設計規則
原標題：Design rules for minimizing voltage losses in high-efficiency organic solar cells
材料名稱：有機太陽能電池
研究團隊：英國倫敦帝國理工學院 Artem A. Bakulin 和瑞典林雪平大學 Feng Gao 研究組
通常有機太陽能電池的開路電壓值都低於具有類似能帶的無機或鈣鈦礦光伏器件。其中供體-受體界面處的電荷分離期間的能量損失和非輻射覆合是造成這種電壓損失的主要原因。Qian 等人結合光譜和量子化學方法來確定了電壓損失最小化的關鍵規則：（1）供體和受體分子態之間的低能量偏移（2）混合物中低能隙材料的高光致發光產率。並遵循這些規則，提出了一系列現有的和新的供體-受體系統，它們結合了高效光電流產生與高達 0.03％ 電致發光產率，使得非輻射電壓損失低至了 0.21 V。這一研究進一步提高和解釋了最近演示出的高開路電壓有機太陽能電池的性能。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0128-z）
4. 對貴金屬納米顆粒轉變為熱穩定單原子的直接觀測
原標題：Direct observation of noble metal nanoparticles transforming to thermally stable single atoms
材料名稱：貴金屬單原子催化劑
研究團隊：中國清華大學李亞棟研究組
貴金屬單原子和超細金屬簇催化劑在高溫下都傾向於燒結成聚集的顆粒，這是由金屬表面自由能降低引起的。Wei 等人報告了一種意外的現象，貴金屬納米顆粒（Pd，Pt，Au-NPs）可以在超過 900℃ 的惰性氣體中轉變為熱穩定的單原子（Pd，Pt，Au-SAs）。通過球差矯正電子顯微鏡和 X-射線吸收精細結構譜證明了單原子的分散狀態。並通過原位環境透射電子顯微鏡記錄了動態過程，其顯示出在 NP-to-SA 轉化期間存在燒結與原子化的競爭。此外，密度泛函理論計算表明，移動的 Pd 原子被 N-摻雜的碳材料捕獲後，會形成更加熱力學穩定的 Pd-N4 結構並驅動高溫 NP-to-SA 轉化。對於乙炔的半氫化，熱穩定的單原子（Pd-SAs）表現出比納米顆粒（Pd-NPs）更好的活性和選擇性。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0197-9）
5. 不易燃的電解質使得鋰金屬電池具有了優異的陰極化學性質
原標題：Non-flammable electrolyte enables Li-metal batteries with aggressive cathode chemistries
材料名稱：不易燃的氟化電解質
研究團隊：美國陸軍實驗室許康和美國馬里蘭大學王春生研究組
高壓陰極的可充電鋰金屬電池可以在電化學中提供儘可能高的能量密度。然而，金屬鋰臭名昭著的反應性以及高壓陰極材料的催化性質在很大程度上阻礙了它們的實際應用。Fan 等人報告了一種不易燃的氟化電解質，它能夠支持鋰金屬電池中最具侵蝕性和高壓的陰極。 5 V 的 LiCoPO4 陰極（~99.81％）和富 Ni 的 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 陰極（~99.93）展現出的鋰金屬電鍍/剝離效率（99.2％），證明了這種電池具有很高的循環穩定性。在 2.0 mAh·cm-2 的負載下，完整電池在 1000 次循環後仍保持了其原始容量的約 93％。表面分析和量子化學計算表明，這些侵蝕性化學物質在極端電位下的穩定性是由於形成了幾納米厚的氟化界面。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0183-2）
6. 電池充電過程中層狀氧化物陰極材料中的位錯成核及其動力學
原標題：Nucleation of dislocations and their dynamics in layered oxide cathode materials during battery charging
材料名稱：富鋰層狀氧化物
研究團隊：美國加州大學聖地亞哥分校 Y. S. Meng 和 O. G. Shpyrko 研究組
富鋰層狀氧化物（LRLO）是下一代儲能陰極材料的主要候選產品，產能超曾用商業化合物 50％。儘管具有良好的前景，但電壓衰減阻礙了對過剩產能的有效利用，並且主要的挑戰是缺乏對電壓衰減的支持機制的理解。Singer 等人利用現場原位三維布拉格相干衍射成像，對 LRLO 納米微粒中移動位錯網絡的成核進行了直接觀測。與傳統的層狀氧化物相比，在 LRLO 中更容易形成位錯，表明缺陷與電壓衰減之間存在聯繫。並在顯微鏡下展示了部分位錯的形成如何導致電壓衰減。對這些問題的理解促成了設計和演示恢復原始高壓功能的有效方法。研究結果表明，LRLO 中的電壓衰減是可逆的，需要新的模式來改進氧-氧化還原活性材料的設計。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0184-2）
7. 二氧化鈦在高壓氫還原過程中的結構演變
原標題：Structural evolution of titanium dioxide during reduction in high-pressure hydrogen
材料名稱：氧化鈦（TiO2）
研究團隊：美國普林斯頓大學 Annabella Selloni 研究組
氧化鈦（TiO2）在紫外光下優異的光催化性能，促使人們長期以來一直在尋找能夠將其光活性擴展到光譜可見部分的摻雜策略。有一種方法是高壓和高溫氫化，其導致具有結晶核和吸收可見光的無序殼的“黑 TiO2”納米顆粒減少。Selcuk 等人利用經第一原理驗證的銳鈦礦 TiO2 表面和納米粒子在高溫和高氫壓下的反應力場分子動力學模擬，闡明瞭黑 TiO2 的形成機理和結構特徵。模擬顯示，在 H2 與表面氧原子反應時產生的表面氧空位向體材料擴散，但在納米粒子的 {001} 面上遇到高表面遷移的屏障，這引發了表面無序化。除了確認氫化非晶形殼在黑 TiO2 的光活性中起關鍵作用外，Selcuk 等人的研究結果還提供了對光催化水分解條件下常規銳鈦礦納米晶體上觀察到的無序表面層性質的理解。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0135-0）
8. 通過摻入等價小離子抑制原子空位從而提高鹵化鈣鈦礦太陽能電池在環境空氣中的穩定性
原標題：Suppression of atomic vacancies via incorporation of isovalent small ions to increase the stability of halide perovskite solar cells in ambient air
材料名稱：單陽離子/鹵化物鈣鈦礦電池
研究團隊：加拿大多倫多大學 Edward H. Sargent 研究組
考慮到節約成本的密封劑具有的明顯滲透性，鈣離子太陽能電池在微量水和氧氣存在下的降解對其商業影響提出了挑戰。最近，點缺陷被證明是導致分解的首要源頭，原因是它們對水和氧分子具有高親和力。Saidaminov 等人報道了在單陽離子/鹵化物鈣鈦礦中，局部晶格變形促進了空位的形成，並且陽離子/鹵化物混合通過應變鬆弛抑制它們的形成。並表明，選擇合理的摻雜劑可以使引起降解的缺陷的形成能最大化。與現有技術的混合鈣鈦礦太陽能電池相比，含 Cd 的電池顯示出一種呈數量級增強的未封裝穩定性，用於貨架存儲和在相對溼度為 50％ 的環境空氣中的最大功率點運作。Saidaminov 等人還通過測試缺陷工程概念的普遍性來證明了空位形成的抑制劑（如Zn）和促進劑（如Hg）。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0192-2）
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