挖矿 | Nature150周年专题——封面故事（物理、化学与材料）

小图按：2019年是Nature周刊创立150周年。图书馆“资源深度推广计划”（挖矿）计划推出一系列文章来纪念Nature150岁生日，帮助大家了解世界顶尖学术期刊的过去、现状与未来。本计划预计由11篇文章组成，5篇转载文章分别介绍Nature的起源、Nature与中国等，后6篇文章介绍登上Nature封面故事的高水平研究成果，分成IT与人工智能、生物与医学、人文与社会等。

物质转化与物质间的相互作用蕴含着科学最为本质的原理，而如何利用现有物质创造出具有理想性质的新材料也成为许多研究领域所面临的困境。从宏观到微观，从研究物质到创造物质，从观察结构到转化结构……科学界对基础物理、化学以及材料领域的探索永无止境。

01

量子计算与量子通信

1)   基于五个原子量子比特的量子计算机

Bartlett S D. Atomic physics: A milestone in quantum computing[J]. Nature, 2016, 536(7614): 35.

封面离子阱照片展示了组成射频Paul阱电极的四个刀片，Paul阱囚禁了可光寻址的线性离子链。在一些领域中，人们对功能性量子计算机的诞生正翘首期盼。比如，在模拟化学反应或大数因数分解等问题中，量子计算机的表现将超越任何经典计算机。虽然人们已在小型量子计算机上运行过算法，但迄今为止，人们还未能设计出无需改变硬件而可以轻松重构、编译不同算法的可编程量子计算机。在本期《自然》中，Shantanu Debnath及同事展示了一个用五个囚禁原子离子充当量子比特的可编程的小型量子计算机。原则上，这种结构可扩展至更多量子比特。

2)   量子变分特征值解算器

Kandala A, Mezzacapo A, Temme K, et al. Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets[J]. Nature, 2017, 549(7671): 242.

量子化学是量子计算机最具前景的应用领域之一。然而截至目前，科学家只在实验室环境下使用量子硬件对最小的分子系统进行了模拟。在本周《自然》中，Abhinav Kandala、Antonio Mezzacapo和同事使用在超导量子处理器上实现的量子变分特征值解算器模拟较大的分子系统。他们的量子变分特征值解算器硬件资源消耗少，意味着它能够以一种最佳的方式在给定架构上实现。通过这种方法，作者将量子化学计算的范围扩展至氢化锂（LiH）和氢化铍（BeH2），还应用他们的技术来解决量子磁性问题。

3)   基于量子纠缠的波分复用量子通信网络

Wengerowsky S, Joshi S K, Steinlechner F, et al. An entanglement-based wavelength-multiplexed quantum communication network[J]. Nature, 2018, 564(7735): 225.

使用量子密钥为通信加密的技术已经足够成熟，可在现实世界中应用。但迄今为止，这种量子密钥分发仅限于两方之间的通信。在本期《自然》中，Sören Wengerowsky及同事描述了一种全通型量子网络架构，其中一个纠缠光子源可向四个不同用户分发量子态，且每个用户都能生成一个保证安全通信的量子密钥。研究人员表示该网络可轻松扩展至容纳更大数量的用户，因为添加用户无需纠缠源适应。此外，该网络可在通信频段上运行，无需主动开关元素，这意味着该网络能够以较高的量子通信速度运行。

4)   硅中磷施主电子之间的双量子比特门

He Y, Gorman S K, Keith D, et al. A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon[J]. Nature, 2019, 571(7765): 371-375.

基于磷原子电子自旋量子比特展现出作为量子计算平台的巨大潜力。为了创造逻辑门（处理器的基本组成），电子自旋被非常紧密地放置在一起，从而实现强相互作用和高速逻辑门操作。虽然研究人员已经在硅量子点中实现了纠缠，但束缚于原子量子比特的两个电子之间的交换作用一直难以实现。在本期《自然》中，Michelle Simmons及其合作者报告了硅中磷施主原子的电子之间的一个纳秒双量子比特交换门，他们的做法是在原子尺度上设计量子比特布局及其相关的控制电路，对自旋态进行高保真读出。这一高速交换门的成功实现，使得基于硅中电子自旋量子比特的大规模量子电路距离现实更近了一步。  

5)   基于可编程超导处理器的量子优越性

Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

在本期《自然》中，John Martinis及其同事描述了量子计算研发中的重要一步。研究人员首次以实验方式证明，一台可编程量子计算机能够超越世界上最强大的传统处理器，这种状态被称为“量子优越性”（quantum supremacy）。研究团队使用了一个含53个量子比特的量子处理器，对一个生成随机数的量子电路的输出进行取样。系统内的量子比特越多，这项任务就越复杂。实验中的量子处理器名为“Sycamore”，能够在大约200秒内从电路中收集100万个样本，而一台尖端的超级计算机则需要大约1万年才能完成这个任务。

02

化学与物质合成

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.

具有四个不同碳取代基的碳原子——四面体手性中心——是具有生物活性的有机小分子中的关键结构基元。这些分子可能具有不同的镜像，要合成唯一的正确构型可能是一个挑战。在本期《自然》中，Eric Jacobsen及其同事揭示了他们如何利用一种通常无法控制的反应机制，从外消旋混合物中选择性地生成四面体手性中心。单分子亲核取代反应（SN1）在有机化学教科书中无处不在。它允许引入的亲核试剂通过平面阳离子中间体（如封面所示），取代碳原子上已有的取代基之一。但是该机制的性质意味着亲核试剂可以从任一面接近反应碳原子，一般不可能选择性地添加外来基团。通过使用手性氢键催化剂和路易斯酸，研究者们打破了这一规则，使得SN1反应以立体控制的方式进展下去。

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。

03

材料与创造

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。

to be continued

SpringerNature 翻译

王媛、杜其原 整理

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