1. 聚合物网络中以金属有机笼作为交联的光切换拓扑结构
原标题：Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks
材料名称：聚合物网络
研究团队：美国麻省理工学院 Jeremiah A. Johnson 研究组
聚合物网络可具有一系列令人满意的性能，例如机械强度、不同材料之间宽泛的组成多样性、稳定的孔隙率、便利的加工性和广泛的溶剂相容性。从下到上设计具有新结构基序和化学组成的聚合物网络，可以用来赋予动力学特征，例如延展性或自我修复或允许材料响应环境刺激。然而，许多现有系统仅表现出由材料的组成和拓扑定义的一种运作状态；或者它们的响应性可能是不可逆转的，且仅限于单个网络特性（例如刚度）。Gu 等人利用协作自组装作为设计原则来制造了可以在两个拓扑状态之间切换的材料。通过使用聚合物连接的金属有机笼的网络，其中笼在照射时改变形状和尺寸，便可以用紫外线或绿光可逆地切换网络拓扑。这种光开关可以同时在多个网络特性中产生相干变化，包括分支功能、结点波动、缺陷容限、剪切模量、应力松弛特性和自我修复。拓扑切换材料可用于软机器人和光致动器等领域，也可用于基础聚合物物理研究的模型系统。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0339-0）
2. 单分子水平的电荧光机制
原标题：Electrofluorochromism at the single-molecule level
材料名称：锌-酞菁自由基阳离子
研究团队：法国斯特拉斯堡大学 Guillaume Schull 研究组
分子光学性质和氧化态之间的相互作用对显示器、传感器和基于分子的存储器等应用来说都非常重要。但对于发生在单分子水平上的基本机制一直难以探究。Doppagne 等人利用扫描隧道显微镜（STM）来表征和控制吸附在覆盖了氯化钠的金（111）样品上的单个锌-酞菁自由基阳离子的荧光。并基于它们的荧光光谱鉴定分子的中性和氧化态，其中荧光光谱显示出了非常迥异的辐射能量和电子振动特征。带电分子的辐射则是通过调节绝缘体的厚度和位于 STM 尖端顶点的等离子体来控制。此外，尖端位置的亚纳米变化也用于研究充电和电致发光机制。（Science DOI: 10.1126/science.aat1603）
3. 使高效有机太阳能电池中电压损失最小化的设计规则
原标题：Design rules for minimizing voltage losses in high-efficiency organic solar cells
材料名称：有机太阳能电池
研究团队：英国伦敦帝国理工学院 Artem A. Bakulin 和瑞典林雪平大学 Feng Gao 研究组
通常有机太阳能电池的开路电压值都低于具有类似能带的无机或钙钛矿光伏器件。其中供体-受体界面处的电荷分离期间的能量损失和非辐射复合是造成这种电压损失的主要原因。Qian 等人结合光谱和量子化学方法来确定了电压损失最小化的关键规则：（1）供体和受体分子态之间的低能量偏移（2）混合物中低能隙材料的高光致发光产率。并遵循这些规则，提出了一系列现有的和新的供体-受体系统，它们结合了高效光电流产生与高达 0.03％ 电致发光产率，使得非辐射电压损失低至了 0.21 V。这一研究进一步提高和解释了最近演示出的高开路电压有机太阳能电池的性能。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0128-z）
4. 对贵金属纳米颗粒转变为热稳定单原子的直接观测
原标题：Direct observation of noble metal nanoparticles transforming to thermally stable single atoms
材料名称：贵金属单原子催化剂
研究团队：中国清华大学李亚栋研究组
贵金属单原子和超细金属簇催化剂在高温下都倾向于烧结成聚集的颗粒，这是由金属表面自由能降低引起的。Wei 等人报告了一种意外的现象，贵金属纳米颗粒（Pd，Pt，Au-NPs）可以在超过 900℃ 的惰性气体中转变为热稳定的单原子（Pd，Pt，Au-SAs）。通过球差矫正电子显微镜和 X-射线吸收精细结构谱证明了单原子的分散状态。并通过原位环境透射电子显微镜记录了动态过程，其显示出在 NP-to-SA 转化期间存在烧结与原子化的竞争。此外，密度泛函理论计算表明，移动的 Pd 原子被 N-掺杂的碳材料捕获后，会形成更加热力学稳定的 Pd-N4 结构并驱动高温 NP-to-SA 转化。对于乙炔的半氢化，热稳定的单原子（Pd-SAs）表现出比纳米颗粒（Pd-NPs）更好的活性和选择性。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0197-9）
5. 不易燃的电解质使得锂金属电池具有了优异的阴极化学性质
原标题：Non-flammable electrolyte enables Li-metal batteries with aggressive cathode chemistries
材料名称：不易燃的氟化电解质
研究团队：美国陆军实验室许康和美国马里兰大学王春生研究组
高压阴极的可充电锂金属电池可以在电化学中提供尽可能高的能量密度。然而，金属锂臭名昭着的反应性以及高压阴极材料的催化性质在很大程度上阻碍了它们的实际应用。Fan 等人报告了一种不易燃的氟化电解质，它能够支持锂金属电池中最具侵蚀性和高压的阴极。 5 V 的 LiCoPO4 阴极（~99.81％）和富 Ni 的 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 阴极（~99.93）展现出的锂金属电镀/剥离效率（99.2％），证明了这种电池具有很高的循环稳定性。在 2.0 mAh·cm-2 的负载下，完整电池在 1000 次循环后仍保持了其原始容量的约 93％。表面分析和量子化学计算表明，这些侵蚀性化学物质在极端电位下的稳定性是由于形成了几纳米厚的氟化界面。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0183-2）
6. 电池充电过程中层状氧化物阴极材料中的位错成核及其动力学
原标题：Nucleation of dislocations and their dynamics in layered oxide cathode materials during battery charging
材料名称：富锂层状氧化物
研究团队：美国加州大学圣地亚哥分校 Y. S. Meng 和 O. G. Shpyrko 研究组
富锂层状氧化物（LRLO）是下一代储能阴极材料的主要候选产品，产能超曾用商业化合物 50％。尽管具有良好的前景，但电压衰减阻碍了对过剩产能的有效利用，并且主要的挑战是缺乏对电压衰减的支持机制的理解。Singer 等人利用现场原位三维布拉格相干衍射成像，对 LRLO 纳米微粒中移动位错网络的成核进行了直接观测。与传统的层状氧化物相比，在 LRLO 中更容易形成位错，表明缺陷与电压衰减之间存在联系。并在显微镜下展示了部分位错的形成如何导致电压衰减。对这些问题的理解促成了设计和演示恢复原始高压功能的有效方法。研究结果表明，LRLO 中的电压衰减是可逆的，需要新的模式来改进氧-氧化还原活性材料的设计。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0184-2）
7. 二氧化钛在高压氢还原过程中的结构演变
原标题：Structural evolution of titanium dioxide during reduction in high-pressure hydrogen
材料名称：氧化钛（TiO2）
研究团队：美国普林斯顿大学 Annabella Selloni 研究组
氧化钛（TiO2）在紫外光下优异的光催化性能，促使人们长期以来一直在寻找能够将其光活性扩展到光谱可见部分的掺杂策略。有一种方法是高压和高温氢化，其导致具有结晶核和吸收可见光的无序壳的“黑 TiO2”纳米颗粒减少。Selcuk 等人利用经第一原理验证的锐钛矿 TiO2 表面和纳米粒子在高温和高氢压下的反应力场分子动力学模拟，阐明了黑 TiO2 的形成机理和结构特征。模拟显示，在 H2 与表面氧原子反应时产生的表面氧空位向体材料扩散，但在纳米粒子的 {001} 面上遇到高表面迁移的屏障，这引发了表面无序化。除了确认氢化非晶形壳在黑 TiO2 的光活性中起关键作用外，Selcuk 等人的研究结果还提供了对光催化水分解条件下常规锐钛矿纳米晶体上观察到的无序表面层性质的理解。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0135-0）
8. 通过掺入等价小离子抑制原子空位从而提高卤化钙钛矿太阳能电池在环境空气中的稳定性
原标题：Suppression of atomic vacancies via incorporation of isovalent small ions to increase the stability of halide perovskite solar cells in ambient air
材料名称：单阳离子/卤化物钙钛矿电池
研究团队：加拿大多伦多大学 Edward H. Sargent 研究组
考虑到节约成本的密封剂具有的明显渗透性，钙离子太阳能电池在微量水和氧气存在下的降解对其商业影响提出了挑战。最近，点缺陷被证明是导致分解的首要源头，原因是它们对水和氧分子具有高亲和力。Saidaminov 等人报道了在单阳离子/卤化物钙钛矿中，局部晶格变形促进了空位的形成，并且阳离子/卤化物混合通过应变松弛抑制它们的形成。并表明，选择合理的掺杂剂可以使引起降解的缺陷的形成能最大化。与现有技术的混合钙钛矿太阳能电池相比，含 Cd 的电池显示出一种呈数量级增强的未封装稳定性，用于货架存储和在相对湿度为 50％ 的环境空气中的最大功率点运作。Saidaminov 等人还通过测试缺陷工程概念的普遍性来证明了空位形成的抑制剂（如Zn）和促进剂（如Hg）。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0192-2）
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