X-MOL盘点：10月前沿科研成果精选

X-MOL团队从上月报道过的Nature、Science、Nature Chemistry 和JACS 等杂志的研究论文中，精选部分有意思的科研成果，以馈读者。

（一）别放弃！宝宝会学你

Science, DOI: 10.1126/science.aan2317

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Infants make more attempts to achieve a goal when they see adults persist

对于小宝宝们来说，他们知不知道认不认同“坚持就是胜利”呢？为了搞清楚这个问题，美国麻省理工学院（MIT）的脑认知科学家Laura Schulz教授和她的博士生Julia A. Leonard（本文第一作者及通讯作者）以及一位本科生Yuna Lee最近进行了一项有意思的研究，她们希望了解15个月大的萌宝们是否能够理解“坚持”的意义。小朋友们被分成三组，“努力获胜”组和“轻松获胜”组的宝宝，会观察到实验员试图完成两项任务，两个组的区别在于：“努力获胜”组的宝宝看到的是实验员在坚持不懈的尝试了30秒之后，终于完成了任务；“轻松获胜”组的宝宝看到的是实验员轻松地三次完成任务。基线组的宝宝跳过这一环节直接进入下一环节。在下一个环节中，实验员会给所有组的宝宝一个玩具音乐盒，这个玩具表面上有一个看起来很明显的开关按钮，但实际上它并没有什么用，真正的按钮隐藏在玩具的底部。实验员会提前打开音乐盒，让宝宝们知道它会唱歌，然后再将其偷偷关闭，并让宝宝们尝试自己打开。每个宝宝都有两分钟时间，而研究者们会记录下他们尝试按那个假按钮的次数，依此来评估他们“坚持”的程度。结果很有意思。那些曾经看过实验员坚持不懈努力完成任务的“努力获胜”组宝宝，按压按钮的次数是“轻松获胜”组宝宝的两倍。而且，从开始玩音乐盒到第一次请求帮助或者扔掉玩具，“努力获胜”组宝宝的按压次数也是“轻松获胜”组宝宝的两倍。与此相对，“轻松获胜”组宝宝和对照的基线组宝宝之前，差别并不明显。Laura Schulz教授表示，“虽然这项研究的成果并不能直接用于子女教育，但它至少能够提供一些建议——让孩子看到你正在为一个目标而努力奋斗，这或许并不是坏事。”

（二）拿去，拯救你过热的手机

Science, DOI: 10.1126/science.aan5980

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Highly efficient electrocaloric cooling with electrostatic actuation

固态制冷具有比传统冷却系统更大的发展潜力，不过发展受限于设备很难同时具有高制冷系数（COP）和高比冷却功率。近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）裴启兵（Qibing Pei）教授课题组在Science 杂志上发表文章，利用电热效应（electrocaloric，EC）聚合物薄膜和静电致动机制，开发了一种具有高热力学效率的冷却装置。该器件COP可以达到13，比冷却功率为2.8 W/g，而且柔性好，适合多种形状的表面。研究者设计的这种新颖的EC冷却装置，依靠静电力驱动，柔性EC聚合物——P(VDF-TrFE-CFE)薄膜可以快速地在热源和散热器之间周期性切换。整个周期分成六个步骤，通过电场的周期性改变，可以实现EC聚合物薄膜将热源处的热量转移到散热器。不但可以降低功率消耗，还可以保证聚合物薄膜与热源或散热器的良好接触和热传递过程。这种EC冷却装置除了能给手机、平板电脑和可穿戴电子产品等有效降温，延长它们的使用寿命，实际上还有更多的用途。裴教授在接受采访时说，它其实就是便携式个人空调，可以放在口袋随身携带，贴在衣服上，塞在鞋子里或者帽子里，也可以当成坐垫，根据个人需要调节身体不同部位的温度。

（三）用“70岁”的成核理论，解决一个“100岁”的老问题

Nature, DOI: 10.1038/nature23894

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3D printing of high-strength aluminium alloys

作为工业中常用的金属合金，很少有报道可进行3D打印。目前仅有AlSi₁₀Mg、TiAl₆V₄、CoCr和Inconel 718少数的几种较低强度合金，可用于3D打印。近日，美国HRL实验室John H. Martin等人在Nature 发表文章，介绍了一种3D打印高强度铝合金的方法。此前，限制合金材料用于3D打印的主要原因，是在打印过程中材料的熔融和凝固易产生柱状晶粒和周期性裂纹，影响产品的强度和抗疲劳性能。Martin等研究者通过引入成核剂纳米颗粒来控制凝固过程，更易形成细小的等轴晶粒，减少裂纹形成的可能，从而解决了高强度铝合金的3D打印问题。通过该方法打印的3D合金，无裂纹，强度堪比传统的锻造产品。HRL实验室表示，该技术可用于研发更多种类的可3D打印合金粉末材料。同时，该思路不仅能应用在激光熔融3D打印设备，还可用于电子束熔融和基于定向能量沉积的3D打印设备中。此外，在接合、铸造及注射成型这些传统加工工艺中，也可以利用该方法减少凝固裂纹和热裂等问题。“我们用21世纪的机器，依靠‘70岁’的经典成核理论，解决了一个‘100岁’的问题。”John Martin调侃道。

（四）基于聚酞菁钴和碳纳米管复合材料的电催化CO₂还原

Chem, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.08.002

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Supported Cobalt Polyphthalocyanine for High-Performance Electrocatalytic CO₂ Reduction

利用可再生能源提供的电能，通过电化学催化CO₂还原，有效地将CO₂转化成有用的燃料是利用大气碳源最具前景的方式。苏州大学功能纳米与软物质研究院的李彦光教授团队、南京师范大学李亚飞教授团队、美国阿贡国家实验室陆俊研究员团队共同合作，在电催化CO₂还原方面取得新进展。在这项工作中，他们采用原位聚合的方法制备了一种聚酞菁钴和碳纳米管复合材料作为高性能CO₂电还原催化剂。借助于碳纳米管特有的一维结构特点，利用酞菁钴聚合物与碳纳米管复合后产生的协同作用，大大提高了聚酞箐钴的导电性和电催化活性位点数量，加快了电催化还原CO₂的动力学过程，从而获得了更佳的电催化性能。研究结果表明：该催化剂还原CO₂的起始过电位可以和贵金属Au、Ag媲美，CO₂转化生成CO的法拉第效率高达90%，且在相同过电势下的催化转化频率（TOF）超过了目前绝大多数有机或无机催化材料。此外，该催化剂够维持长达24小时以上的电催化性能。

（五）低成本CuSCN材料的“华丽转身”

Science, DOI: 10.1126/science.aam5655

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Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20%

到目前为止，超过20%的钙钛矿太阳能电池普遍采用spiro-OMeTAD或PTTA作为空穴传输材料（HTM），这类有机材料价格高昂难以用于大规模生产，而且电池器件的热稳定性较差，难以长期稳定运行。一个解决策略是使用无机空穴传输材料。在各种无机空穴传输材料中，稳定、高效和廉价的硫氰酸亚铜（cuprous thiocyanate，CuSCN）受到了研究者的重视。CuSCN的成本在0.5美元/克左右，而spiro-OMeTAD的成本在500美元/克左右，相比之下比CuSCN贵1000倍。但是，以前科学家们在钙钛矿太阳能电池中使用CuSCN作为空穴传输材料的尝试，仅仅实现了中等的稳定工作效率，而且器件稳定性较差。这种“鸡肋”般的表现可能与两个方面的问题相关——在钙钛矿薄膜上无法沉积高质量的CuSCN层，以及钙钛矿太阳能电池中的CuSCN层化学稳定性较差。近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授、M. Ibrahim Dar博士、Neha Arora博士等人终于找到了办法，解决了上述两方面问题，让低成本的CuSCN材料完成了“华丽转身”。他们发展了一种简单的动态溶液沉积法，可在钙钛矿薄膜上沉积高质量的CuSCN层，这使得电池的稳定光电转换效率超过20%。另外，通过在CuSCN和金之间添加导电性还原石墨烯氧化物（rGO）间隔层，CuSCN的稳定性得到极大提高，所制得的钙钛矿太阳能电池器件60 ℃下在最大输出功率老化1000小时后，仍能保持初始效率的95%以上。

（六）贵，真的能让人“肉疼”

Science, DOI: 10.1126/science.aan1221

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Interactions between brain and spinal cord mediate value effects in nocebo hyperalgesia

药物临床应用中的一个著名现象“安慰剂效应（placebo effect）”还有另外一个非著名的孪生兄弟——“反安慰剂效应（nocebo effect）”，效果刚好相反：患者同样接受实际上并没有效果的治疗，但因为对药物或治疗手段的负面预期，就会出现不良副作用。不管是安慰剂效应还是反安慰剂效应，都能改变治疗效果或扭曲临床药物试验的结果。而很多心理因素都能影响患者的预期，而最新的研究则把目光聚焦在以往被大家忽略的一个因素：价格。德国汉堡大学艾本多夫医学中心（UKE）的Alexandra Tinnermann博士等研究者最近在Science 杂志发表文章报道称，昂贵的药物会带来更强烈的反安慰剂效应。研究者认为，受试者们觉得昂贵的药物含有更强更有效的活性成分，而这通常意味着更多的副作用。研究者使用功能核磁共振成像（fMRI）监测受试者的神经活动，实验结果表明，“昂贵”组中报告说感觉更多疼痛的受试者，在前额皮质也有更多活动。这与安慰剂效应很类似。其他研究表明，当人们体验安慰剂效应时，相同大脑区域的活动会增加。更重要的是，“昂贵”组受试者与疼痛反应相关的脊髓区域也显示出更多激活，这表明受试者们是真正的体验到了比“便宜”组受试者更强烈的疼痛。这应该是科学家首次观察到反安慰剂疼痛效应与大脑皮层、脑干和脊髓这些区域的联系。

（七）谭斌课题组Nat. Chem.：有机分子催化吲哚的不对称芳基化反应

Nat. Chem., DOI: 10.1038/nchem.2866

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Organocatalyticasymmetric arylation of indolesenabled by azo groups

亲电芳香取代是一类重要的有机反应，其中芳香烃作为亲核试剂可以发生芳基C(sp²)-H键的多种重要转化，如芳香烃的卤代、硝化、磺化、Friedel-Crafts烷基化及酰基化反应等。基于前人的光诱导有机分子催化的亲核芳香取代反应，最近，南方科技大学的谭斌教授课题组则发展了手性磷酸作为有机分子催化剂，完成了吲哚底物的不对称芳基化反应，实现了形式上的不对称有机催化芳基C(sp²)-H键的官能化，由此合成出具有轴手性的芳基吲哚化合物。手性磷酸在反应中存在两种重要的作用，一方面通过Brønsted酸活性位点与芳香烃修饰的吸电子取代基形成氢键相互作用，增加芳香烃的亲电活性，还可以借此形成手性环境引导不对称反应的发生。偶氮芳香烃衍生物中的偶氮基团作为反应中重要的导向及活化基团可以提高芳香烃的亲电活性，并在催化剂的引导下接受吲哚底物的亲核芳香取代。该类反应有望在工业化生产中得到广泛的应用。

（八）“酶”花三弄：Science报道新型P450工程酶，高效催化烯烃的反马氏氧化

Science, DOI: 10.1126/science.aao1482

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Anti-Markovnikov alkene oxidation by metal-oxo–mediated enzyme catalysis

烯烃的反马氏氧化/水合反应，长久以来都被认为是一个非常重要却又难以攻克的反应。合成化学家为实现这一转化提供了“硼氢化-氧化”的策略，但该策略步骤冗长且需要过量有机硼试剂，终究难以成为最理想的合成途径。近日，美国加州理工学院的化学家Frances Arnold教授课题组在该领域取得突破，她领导的研究团队通过定向进化获得了一种基于细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxygenase）的新型工程酶aMOx，可以利用分子氧为终端氧化剂，高效催化烯烃的反马氏氧化反应，并且报道了首个不对称的反应例子。尽管底物适用范围还局限在芳基取代烯烃，其反应的优点已毋庸置疑，包括高活性、高化学/立体选择性、氧气作为终端氧化剂等。如作者指出，通过对现有酶催化剂进行改进，是可以进一步解决脂肪族烯烃的反马氏氧化的难题（研究正在进行中），甚至挑战目前化学催化无法实现的化学转化。

（九）很平，如何“装”的凹凸有致？

Science, DOI: 10.1126/science.aan5627

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Stretchable surfaces with programmable 3D texture morphing for synthetic camouflaging skins

章鱼和乌贼可瞬间改变皮肤的颜色甚至外形，伪装成周围的海藻、珊瑚、岩石等，无声地消失在环境中。在以毫秒计的短时间之内，章鱼和乌贼们能将它们的平滑皮肤随意向外突出，变成立体的多级棘突结构。与之相比，人类科学家设计的柔性可拉伸材料就逊色很多，实现类似的精细、复杂、迅速的可控伸长一直是个巨大的挑战。近日，美国康奈尔大学Robert Shepherd博士等人在Science 杂志上发表文章，设计了一种能模仿头足纲软体动物伪装能力的新材料，可从二维平面结构变化为预设的三维结构和纹理。Shepherd博士等人仔细研究了肌肉形态以及突起的形成过程，以此为启发，他们使用人工组织群构建了可转化为复杂立体多级结构的二维“人造皮肤”。人工组织群包括两种材料，有机硅弹性体和包埋于其中的纤维网。为了得到预设的3D结构，研究者设计了这样一种方法，既先根据计算通过激光切割技术将纤维网制成目标图案；然后再将纤维网嵌在未固化的有机硅弹性体中；最后将其固化，并涂上一层硅氧烷涂层。这样一来，当向固化的弹性体中充气时，该二维复合材料就可以快速、可逆地变成预期的3D目标形状，误差可以控制在10%以内。该方法简单、可逆，容易控制，如果可以进一步提高精度，将在软体机器人的研究领域有很好的应用。

（十）诺奖结果，再获进步：Leigh组Science报道化学燃料驱动的分子马达和分子泵

Science, DOI: 10.1126/science.aao1377

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Rotary and linear molecular motors driven by pulses of a chemical fuel

生物分子马达可催化化学燃料的水解，并使用释放的能量通过信息棘轮（information ratchet）机制引导运动。近日，英国曼彻斯特大学的David Leigh教授团队提出了基于溶液酸碱性变化的另一类能量棘轮（energy ratchet）机制，使用化学燃料，可以驱动旋转运动和线性运动的人造分子机器，在一种机制下构建了分子马达和分子泵。相关成果近期发表于Science 杂志。文中所述的一种分子马达和分子泵都是]索烃分子。研究者们修改了“燃料配方”，用三氯乙酸（Cl₃CCO₂H）代替了三氟乙酸。在三乙胺的催化下，三氯乙酸可以在室温下高效地发生脱羧反应，降解生成氯仿和二氧化碳。如果初始状态下三氯乙酸过量，足以质子化分子马达中的二苄胺位点并催化腙位阻基团的交换，完成180°的旋转；随后三乙胺催化三氯乙酸的降解，逐渐将溶液环境从酸性变为碱性，二苄铵位点去质子化并催化二硫化物位阻基团的交换，完成剩下的180°的旋转。这就意味着，加一次燃料就可以完成整个360°的旋转过程，不用分步，不用再加化合物，同时燃料的无谓消耗减少，效率提高。