两篇，同期上线！
5月10日，浙江大学徐远锋研究员团队和莫一鸣研究员团队的两项科研进展同期发表在国际顶级期刊《科学》。
浙江大学关联物质研究中心、物理学院徐远锋课题组系统研究了声子体系中存在的拓扑“准粒子”，采用拓扑量子化学理论结合高通量方法，对一万多种晶体材料的声子谱进行了解析，通过计算得到了声子谱的对称性特征和拓扑性质，包括丰富的拓扑简并点或简并线、“脆拓扑”声子以及可类比电子共价键的“阻塞型拓扑”声子，同时，还对所有材料的拓扑声子表面态进行了计算，并建立了拓扑声子材料数据库。
浙江大学化学工程与生物工程学院百人计划研究员莫一鸣团队提出了阴离子屏蔽抑制传质的方法，逆转了热力学上的优先氧化顺序，采用光电催化技术实现了对三氟乙酸根的优先氧化并获得具有高附加价值的三氟甲基化产品。这一创新方法不仅可以将部分极易被氧化的分子转化为三氟甲基化产品，还可实现高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
让元素周期表舞动起来
浙大新突破让“发现”更容易
什么是拓扑？它是近代发展起来的一个数学分支。简单地说，拓扑就是研究有形的物体在连续变形下维持不变的整体性质。
想象一下，有一个用橡皮泥做的甜甜圈，将它连续变形拉伸成带把手的咖啡杯。这两个形状在拓扑结构上，拥有共通属性，因为它们都有且只有一个“洞”。同理，从拓扑学来看，立方体和球体也具有相同的拓扑结构。
从拓扑学到拓扑物态再到拓扑材料，近几十年来，拓扑学“跨界”到物理等多个学科，成为科学研究的一大热点。
近日，浙江大学关联物质研究中心、物理学院研究员徐远锋与美国普林斯顿大学等多个国际团队合作，系统研究了晶体材料声子谱中的拓扑物态分类。通过理论分析和高通量计算，研究团队得到了一万多种晶体中声子谱的对称性特征和拓扑性质，并建立了拓扑声子材料数据库，为拓扑元素周期表增添了原子振动的信息。相关研究成果于北京时间2024年5月10日在国际顶级期刊《科学》上发表。
发现拓扑声子材料只能“撞大运”？
拓扑绝缘体材料具有奇异的边缘导电通道性质，也就是说它不像常规绝缘体那样完全不导电，而是在材料内部不导电的同时又在表面能够导电，具有特定自由度的电子在材料表面单向“奔跑”。在对称性的保护下，反向运动的电子之间不会互相干扰，因此有望被应用于低功耗电子器件的设计和量子计算元器件的开发，并为新型能源材料和制造业的发展提供新思路。
徐远锋长期从事拓扑物态理论和材料计算研究，近几年通过发展普适的理论方法主导完成了磁性拓扑电子材料和拓扑平带电子材料的分类和计算工作。
“随着拓扑能带理论的快速发展，由晶体对称性保护的拓扑电子态得到了系统研究。在电子体系之外发现新型拓扑物态或‘准粒子’，探索拓扑物态与其它量子物态的内在联系已成为凝聚态物理领域的前沿热点之一。”徐远锋说。
拓扑声子是拓扑材料领域近年来的后起之秀。与电子一样，固体材料中原子的振动模式（声子）也可以定义拓扑性质，拓扑声子材料的研究领域涵盖物理学、材料学、声学等多个领域，其应用前景也非常广阔。然而，在真实的三维晶体材料中发现拓扑声子还存在很大的偶然性，寻找过程异常艰难，至今新型的拓扑声子物态以及理想的拓扑声子材料依然十分匮乏。
那么有没有一种方法，可以更加快速高效地找到理想的拓扑声子材料呢？
“由于对晶体材料中声子谱的探测非常耗时耗力，如果没有成熟的理论和数值模拟作为支撑，光靠做实验来发现拓扑声子材料无异于大海捞针，我们希望能够借鉴拓扑电子态的相关理论方法来快速寻找拓扑声子体系。”徐远锋说。
一键穷尽所有拓扑声子类型
声子是晶体材料中原子集体振动激发的能量准粒子。跟电子等费米子相比，声子不具有自旋自由度，如果要构建它的拓扑分类理论，可以参考无自旋-轨道耦合的电子系统。
顺着这个思路，徐远锋与美国普林斯顿大学B. Andrei Bernevig教授等多个国际团队合作，采用无自旋的拓扑量子化学理论结合高通量计算的方法，对一万多种晶体材料的声子谱进行了解析，通过计算得到了声子谱的对称性特征和拓扑性质，包括丰富的拓扑简并点或简并线、“脆拓扑”声子能带以及可类比电子共价键的“阻塞型拓扑”声子能带。经统计，超过一半的晶体材料中存在着不同类型的拓扑声子结构，这也向人们进一步展示了拓扑物态在声子体系中的普遍存在性。
同时，团队还对所有材料的拓扑声子表面态进行了计算，并建立了拓扑声子材料数据库。打开这个数据库，在元素周期表上任选一个元素，点击后就会跳出数据库中包含这个元素的所有晶体材料，再次点击就可以轻松查询到相关材料详细的对称性和拓扑信息，从而快速找到适合实验的晶体材料。
拓扑声子材料数据库
有了这样一个庞大的数据库和清晰的索引目录，拓扑声子材料的实验发现将变得有迹可循。目前团队已经提供了上百种理想拓扑声子候选材料，有效弥补了理想拓扑电子材料匮乏的现状，为后续拓扑声子的实验探测和应用提供理论支撑。
“晶体材料中存在丰富的物理自由度，将电子和声子的自由度耦合起来有可能产生更有趣的新型拓扑物态和量子现象”，徐远锋对下一步工作计划进行了展望。
关联物质研究中心徐远锋（左二）课题组
徐远锋为论文的第一作者兼共同通讯作者，普林斯顿大学B. A. Bernevig教授、N. Regnault教授以及巴斯克大学L. Elcoro教授为共同通讯作者。
药物分子
实现低成本三氟甲基化
含氟无机物在自然界中屡见不鲜，但含氟的天然有机化合物却极为罕见，大多数含氟有机物是通过合成方式获得的。其中，含有三氟甲基的有机化合物比重较大，这主要是因为三氟甲基的引入可以显著改善化合物的亲脂性和代谢稳定性。因此，三氟甲基化合物在医药与农药等领域大放异彩，如治疗精神抑郁的药物Prozac、抗病毒药物Letermovir、治疗高血脂的药物Lomitapide等均含有这一特殊基团。
在目标分子上修饰三氟甲基深受新药研发领域的欢迎，三氟甲基化是生产高附加值产品的重要方法。如何安全、高效且低成本地将三氟甲基引入目标分子是有机氟化学最受关注的课题之一。尽管以三氟甲基化试剂作为前体直接在有机分子上引入三氟甲基被视为是生产高附加值产品的有效策略，但其成本过高，大部分在每克几百甚至几千元，导致这类方法仅适用于研发，很难直接应用于实际生产。
研究团队与所开发的反应装置图（从右到左：莫一鸣、陈一新、何宇晨、宣军、高勇）
从原子经济、生产成本、易操作性等方面来看，三氟乙酸是非常理想的三氟甲基来源，相比其他试剂，其价格极其低廉（每公斤约300元）。但三氟乙酸的高氧化电位制约了其直接应用，需要强氧化剂等非常剧烈的条件才能使三氟乙酸转化为可直接与有机分子反应的三氟甲基自由基。这会导致许多对氧化剂敏感的有机分子如含氨基或醛基的分子无法应用在该类体系中，而这类基团广泛存在于一些药物或农药中，极大限制了三氟乙酸的应用范围。因此，如何在温和条件下实现对三氟乙酸的直接利用来生产高附加值的三氟甲基化产品极具挑战。
研究背景与实验设计
为了克服这一难题，近日浙江大学化学工程与生物工程学院百人计划研究员莫一鸣团队提出了阴离子屏蔽抑制传质的方法，逆转了热力学上的优先氧化顺序，采用光电催化技术实现了对三氟乙酸根的优先氧化并获得具有高附加价值的三氟甲基化产品。这一创新方法不仅可以将部分极易被氧化的分子转化为三氟甲基化产品，还可实现高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
这一成果于北京时间2024年5月10日刊登在国际顶级期刊《科学》上。
三氟乙酸的直接利用的最大难点在于其氧化电位过高（＞2.24 V vs. SCE），如果采用强氧化剂活化三氟乙酸，根据热力学的氧化顺序，往往会导致同一体系中存在的其他有机分子被优先氧化。
为了解决这一难题最直接的方案就是阻止有机分子与氧化剂“直接接触”。为此，莫一鸣团队选择光电催化作为技术手段。在光电催化中，光阳极在光照下产生的光生空穴就是“氧化剂”，而阴离子层就像一层屏障一样，阻止有机分子与光阳极直接接触，从而避免了有机分子的优先氧化。经过大量的实验验证，该团队提出了“阴离子层限制传质从而限制氧化”的选择性氧化机制，并建立了光电催化三氟甲基化的新型方法。
放大合成DNA碱基类似物的三氟甲基化产品，反应化学式以及放大反应装置
该方法可兼容多种极易被氧化的有机分子，而且，光电催化体系可稳定运行超过300小时。此外，利用模块化、可放大的光电流微反应装置实现了高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
该项研究不仅为三氟甲基化这一极具实际生产价值的合成方法提供了新思路，而且为传质调控选择性电子转移这一化学工程的重要研究领域开辟了新的道路。
论文第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士后陈一新，通讯作者为莫一鸣与浙江大学杭州国际科创中心研究员宣军。
文字记者：谭帅 吴雅兰 柯溢能
图片由课题组提供
今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 朱天逸 | 谭帅
责任编辑：谭帅
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