创刊五年, Matter 2.0 时代已来临！
物质科学
Physical science
自2019年7月出版第一期，时至今日，Cell Press细胞出版社旗下材料旗舰期刊Matter已经步入出版的第五年了。自创刊以来，Matter上面发表的每篇文章都代表了材料研究中的一部分，它们都是促进材料科学整体进步的一块“积木”。“积木”的概念一直是Matter多年来所推崇的，这反映了我们独特的办刊宗旨。
另外值得一提的是，Matter最近收获了全新影响因子——18.3！我们由衷地感谢所有作者，读者及审稿人朋友们对我们的大力支持！那么，请跟随我们一起参加这场Matter 5周年生日庆典吧！
纪念期刊封面上，由白、红、蓝、黄、绿五种颜色描绘出了一个庆祝数字“5”，代表着Matter在学术出版领域的5年历程以及所推出的5项开拓性创举（参见本期社论）。
5年创刊，5年创新 | Matter社论
主编Steve Cranford博士在2024年7月3日发表社论：这一期标志着Matter自2019年7月3日第1期第1卷出版以来已创刊五周年。这几年的发展令人兴奋，从创刊伊始到如今，我们经历了许多高山与低谷，机遇和挑战。过去五年的成绩离不开细胞出版社所有人的支持，编辑、市场、运营和生产等部门通力合作。我们最初的编辑团队由内外部协调配搭而产生，虽然有些创刊编辑已经离开了这个团队，但同时也不断有优秀的人才加入，使得Matter形成了一些鲜明的风格。我认为目前Matter的核心团队已然是2.0版本了，虽然只有我是唯一一个从2019年一直在Matter团队工作的编辑。事实上，我觉得学术期刊有点像“特修斯之船”，随着时间的推移，组织的基本架构不断发生更替，但仍然(理论上)保留着原有的职能与角色。
那么，一个期刊该如何打造自己的“人设”呢？如何从一众优秀的材料学科期刊中脱颖而出，成为独树一帜的期刊呢？以及创刊五年，Matter带来的五大创新分别都是什么？对此，我在本篇社论中详细展开。在过去的五年里，我们在Matter做了很多事情，发表了很多极具影响力的科研成果，促进了材料领域内的交流和沟通，作为一个平台，也积极向社会传播材料学科的观点和知识。基于此，我们满怀信心，共同期待着未来的五年，以及再下一个五年。希望你们还会继续和我们一路同行！
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五周年专刊文章一览
Perspectives
帝国理工大学Aron Walsh团队：生成式人工智能解决了逆向材料的设计问题吗？
定向设计与开发具有预设性质的化合物是材料研究中一个长期存在的挑战。鉴于此，帝国理工大学Aron Walsh团队在Matter上发表一篇题为“Has generative artificial intelligence solved inverse materials design？”的观点论文。作者提出该观点是基于一组来自人工智能社区的强大统计技术，为化学成分和晶体结构的生成模型提供了前瞻性视角。作者介绍了支撑晶体材料生成模型的核心概念。覆盖范围包括了早期实施的基于生成对抗网络和变分自编码器的无机晶体，一直到持续推进的自回归和扩散模型。讨论了影响目标化合物的选择和生成结构的因素，以及为假设化合物质量提出量化指标。然而更进一步的发展则需要从更丰富的结构和性质数据提取相关性，以实现与真实情况相符的预测，生成式人工智能已证明能够为传统材料设计和研发带来新的支持。
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新加坡南洋理工大学陈晓东院士：用于气味数字化的集成多模态传感
气味数字化，在数字领域解读气味，必将在各个领域对人类生活产生变革性影响。然而，由于气味分子的多样性以及气味与传感材料之间复杂的物理化学相互作用，气味数字化将面临着挑战。迄今为止，已经开发了无数的气味传感技术和方法，但没有一种方法能够成功地捕捉到复杂的气味成分。在这里，来自新加坡南洋理工大学陈晓东院士团队在Matter上发表了一篇题为“Integrated multimodal sensing for scent digitalization”的观点论文，提出了一种集成多模态传感策略，利用多种感知模式的优势来获得更完整和准确的气味成分表示。因此，作者重新审视具有代表性的气味感知技术，并探索每种技术捕获的潜在物理化学性质。然后，作者提出了集成多模态传感的例子，讨论了组合模态独有的能力和操作特征。此外，基于目前研究的进展和局限性，作者还讨论了该领域未来的几个研究方向，并展望了气味数字化的美好未来。
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阿姆斯特丹大学Timothy Noël团队：自主化学：化学和材料科学的自动化实验室
自动化实验室(SDLs)最近成为化学和材料科学领域最重要的技术发展之一，并有可能彻底改变研究过程。鉴于此，来自阿姆斯特丹大学Timothy Noël团队在Matter上发表了一篇题为“Autonomous chemistry: Navigating self-driving labs in chemical and material sciences”观点性论文。在该论文中，作者从硬件、协调器软件和人工智能代理的角度讨论了SDL的结构，并研究了这些元素的选择如何影响整体研究水平。同时，作者也进一步关注这些平台的应用和开放性，以便于更好地了解它们对合成和材料化学的未来影响。随着SDLs功能的快速提升，以及空间的日益大众化，认识到这种技术的适用范围和发展前景也是十分重要的。
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Review
那不勒斯腓特烈二世大学Antonio Abate团队综述：胶体在解释卤化物钙钛矿结晶动力学中的核心作用
太阳能光伏发电为可持续发电提供了一条有前途的路径，其中，钙钛矿太阳能电池因其低成本和高性能而引起人们的广泛关注。铅基钙钛矿虽然具有优异的电子迁移率和载流子特性，但是由于存在环境问题和健康风险引起人们的担忧。所以，锡代替铅是一种较为可行的选择。尤其是以碘作为卤化物的卤化锡钙钛矿，表现出更低的带隙，有可能具有更高的效率。然而，控制结晶过程对于获得具有所需形态特性和晶相纯度的薄膜至关重要，这对钙钛矿材料提出了重大挑战。尽管在结晶过程中，溶剂工程和添加剂掺入已经被广泛研究，但它们对钙钛矿悬浮液胶体性质的具体影响却相对较少地受到关注。鉴于此，来自那不勒斯腓特烈二世大学的Antonio Abate团队在Matter上发表了一篇题为 “The central role of colloids to explain the crystallization dynamics of halide perovskites: A critical review”的综述，该综述旨在阐明如何操纵钙钛矿悬浮液胶体特性，从而对卤化物钙钛矿薄膜的结晶动力学产生重大影响。
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Articles
新加坡国立大学刘小钢院士团队：开发多功能超宽带、多波长压缩成像传感器
多波长、多通道、多深度成像技术彻底改变了科学研究和工业应用，可实现目标物体的精确三维重建和全面综合信息获取，但传统方法存在局限性。为了寻求一种能够适应多种波长同时保持高分辨率的一体化成像传感器，来自新加坡国立大学刘小钢教授团队在Matter上发表以“X-ray-to-NIR multi-wavelength imaging through stochastic photoluminescence and compressed encoding”为题的研究论文，该研究开发了一种普适性强的名为“随机光致发光和压缩编码”（SPACE）的成像技术，并通过使用SPACE，开发了一种多功能超宽带、多波长压缩成像传感器。SPACE将光致发光材料加工成稀疏随机阵列，然后结合压缩传感成像策略来重建完整图像，能够实现对X射线、紫外、近红外I区和近红外II区的多波长成像。SPACE方法也适用于各种多通道成像技术，如多寿命、多偏振和多相位成像，在生物医学成像、食品和农业、材料科学、地质和采矿勘探等领域有着重要的潜在用途。（点击查看CellPress细胞科学详细报道）
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加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队：体相单层二硫化钼薄膜中强二次谐波产生
单层二硫化钼（MoS2）具有极高的二阶非线性光学（NLO）极化率，但其原子级厚度限制了二次谐波产生（SHG）效率。自然存在的2H相块体MoS2可以提供更大的光学截面，但由于其固有的中心反演对称性， SHG过程被禁止。来自加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表以“Giant second harmonic generation in bulk monolayer MoS2 thin films”为题的研究论文。该论文报道了一种厚度和面积可扩展的块体单层MoS2（BM-MoS2）薄膜，实现了SHG高效产生。通过溶液组装方法制备的BM-MoS2具有厘米级平面尺寸，由单层MoS2晶体和有机分子层交替组成，有效阻止了层间耦合，实现了光学截面的增加并维持了单层的非线性光学性质。研究表明，BM-MoS2薄膜具有强的SHG转换效率，比单层MoS2强126倍，比已知三维半导体中二阶NLO极化率最高的GaAs材料高21倍。BM-MoS2薄膜的可控制备为开发超薄、高效和经济的NLO器件提供了新的途径。（点击查看CellPress细胞科学详细报道）
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浙江师范大学贲腾教授团队：一种低能耗、低成本、高效率的温和环境条件下氕/氘同位素分离新概念
同位素是指具有相同原子序数但质量数（或中子数）不同的核素。同位素的分离技术在核燃料循环、核废料处理等方面具有重要应用，然而由于同位素之间的分子内结构和分子间相互作用具有极大的相似性，因此分离同位素非常困难。氘（D）作为氢（H）的重要稳定同位素，也称为“重氢”，高纯氘在武器制造、工业生产与科学研究中具有不可替代的作用，可广泛应用于非放射性同位素跟踪、中子散射和核聚变等。目前，工业上的D2/H2分离技术面临能耗过高和分离步骤繁复等诸多挑战。在温和环境条件下实现D2/ H2的高效分离仍然是一个世界性难题。近日，中国科学院理化技术研究所的江雷教授团队、清华大学的李隽教授团队与浙师含氟新材料研究所贲腾教授团队开展合作研究，破解氕/氘同位素低能耗分离这一世界难题，在Matter上共同发表了题为Ultra-efficient deuterium separation under ambient conditions by a crystalline porous organic framework−Pd nanoparticle hybrid的研究论文。该工作提出了一种低能耗、低成本、高效率的温和环境条件下氕/氘同位素分离新概念，并基于该理论提出新的氕/氘同位素低能耗分离解决方案。
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加州大学圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen团队：通过交联共轭聚电解质空穴传输层，实现近红外有机光电探测器中超低暗电流的研究
有机光电探测器（OPDs）因其出色的光敏性能和成本效益在检测近红外（NIR）和短波红外（SWIR）光方面备受关注。因此，来自加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen团队在Matter上发表了一篇题为“Ultralow dark current in near-infrared organic photodetector via crosslinked conjugated polyelectrolyte hole-transporting layer”的研究性论文。作者发现在共轭高分子电解质（CPE）的空穴传输层（HTL）中使用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷作为交联剂，能有效提高CPE的稳定性、可加工性以及器件的灵敏度。研究中应用了两种规则来优化HTLs以降低暗电流密度：电导率/形态调节（通过添加交联剂）；以及活性层和HTL之间的能带对准（通过分子设计）。这使得OPDs在-5 V下具有约为1 nA cm−2的暗电流密度(Jd)，同时保持灵敏度λ> 1,000 nm。更值得注意的是，在最优器件中，Jd 的热活化能略低活性层共混物的有效带隙。这一观察会为影响NIR-SWIR OPDs 暗电流密度 (Jd) 的因素提供新视角。
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吉林大学于吉红院士团队：通过沸石骨架释放 CsPbI₃钙钛矿制备稳定红色荧光粉
CsPbI3钙钛矿基红色荧光粉是红色/近红外发光二极管（LEDs）的理想候选材料。然而，其稳定性较差，使得光致发光量子产率（PLQYs）较低。因此，来自吉林大学于吉红院士课题组在Matter上发表了一篇题“Unlocking the potential of CsPbI3 perovskite as stable red phosphors by zeolite skeleton”的研究论文。在该研究中，作者通过高温煅烧和水处理策略，成功开发了具有明亮、深红色固态荧光的CsPbI3@zeolite 复合材料。结果显示，该复合材料具有31.1%的PLQYs和优异的稳定性，甚至可以与商业化荧光粉相媲美，这种特性在固态CsPbI3钙钛矿体系中很少有报道。研究表明，去除不发光副产物和控制沸石壳的厚度是提高PLQYs的关键，而优异的稳定性源于主骨架对CsPbI3钙钛矿的紧密封装。作为概念验证，基于所制造的复合材料构建了最大发光效率为57.3 lm/W且具有出色的长期运行稳定性的标准红光和白光 LED，这项工作释放了CsPbI3钙钛矿作为稳定红色荧光粉的应用潜力。
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麻省理工学院李明达团队：机器学习：从零偏峰测量中检测马约拉纳零模
马约拉纳零模 (MZMs) 具有非阿贝尔统计数据，在拓扑量子计算领域具有巨大的前景。MZMs的一个关键特征是隧道微分电导中的零偏置峰值 (ZBPs)。然而，由于平凡拓扑会产生杂散信号，从 ZBP 中识别 MZM 一直具有挑战性。有鉴于此，来自麻省理工学院李明达团队在Matter上发表了一篇题为“Machine learning detection of Majorana zero modes from zero-bias peak measurements”的论文，文中介绍了一种机器学习框架，可以使用 ZBP 数据将 MZM 与其他信号加以区分。紧束缚模型的量子输运模拟用于生成训练数据，而持久同调分析则证实了基于机器分类的可行性。即使对于噪声数据，极限梯度增强 (XGBoost) 分类器也能通过塞曼分裂分别达到1D数据85%的准确性和2D数据94%的准确性。作者创建的模型提供了一种仅使用ZBP数据来评估MZMs的定量方法。
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沙特阿卜杜拉国王科技大学Omar F. Mohammed团队：ΔE-E望远镜结构闪烁体实现多能量X射线成像
X射线成像技术在科学研究、安全检查、工业环境中的质量控制和先进医疗诊断等各个实际领域中发挥着关键作用。传统的单能量X射线成像技术在医学成像和安全检查中难以精确区分物质。双能量X射线成像技术部分弥补了这一局限性，但它在识别独特的光谱信息和X射线成像物体的细节方面仍然具有挑战。除此以外，双能x射线成像技术还存在着诸多问题，例如复杂且昂贵的组件（如两个传感器之间的对准和连接）、过量辐射剂量的风险以及底层信噪比的降低。沙特阿卜杜拉国王科技大学Omar F. Mohammed教授带领研究团队系统地设计和制造了一种具有ΔE-E望远镜结构的六层闪烁体来实现能量鉴别和物质识别功能。通过三层不同的闪烁体，具有不同能量仓的x射线被依次转换为三色通道。三个插入的过滤层不仅能硬化x射线能谱，还能保证望远镜闪烁体的发光范围覆盖整个可见光谱且互相不重叠，这使得可以根据对应的发射颜色直接区别具有不同CT值的物质。此外，ΔE-E望远镜闪烁体空间分辨率在不同X射线电压下均超过了22 lp/mm。在行李检查的概念实验中，复杂物体得到了成功的区分且并没有遗漏任何细节。这项工作有潜力显著改进安全检查和医学诊断领域中的X射线成像技术。
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美国西北大学Edward H. Sargent院士团队：时间分辨光谱评估钙钛矿太阳能电池中的界面光物理过程
增强钙钛矿(PVK)/电荷传输层界面的钝化，是PVK太阳能电池开路电压损失最小化的主要策略。鉴于此，来自美国西北大学Jafar I. Khan，Mercouri G. Kanatzidis，Dayne F. Swearer及Edward H. Sargent 研究团队在Matter上发表了一篇题为“Evaluation of interfacial photophysical processes by time-resolved optical spectroscopy in perovskite solar cells”的研究论文，探讨了钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿(PVK)与电荷传输层界面的非辐射复合与电荷提取过程。通过时间分辨光致发光(TRPL)和瞬态吸收(TA)光谱技术，揭示了界面复合与电荷提取的差异。研究发现，使用Me–4PACz作为界面的钝化剂，能显著延长PL载流子寿命，并通过密度泛函理论(DFT)计算证实了Me-4PACz与PVK表面存在强烈的静电相互作用，这表明了有效的界面钝化。此外，所制造的太阳能电池也实现了高达24%的光电转换效率。
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香港科技大学唐本忠院士团队：还原论or整体论？哲学问题的科学解答
还原论和整体论是两种被广泛接受的哲学方法，用于理解整体与其组成部分之间的关系。但，整体究竟是等于还是大于部分之和，仍然存在争论。2024年6月25日，香港科技大学及香港中文大学（深圳）在Matter上发表了题为“Is the Whole Equal to, or Greater than, the Sum of its Parts? The Similarity and Difference between Molecules and Aggregates”的研究论文。作者利用TPE-NS这一同时带有铵根和磺酸根离子的四苯乙烯衍生物构建了两种离子聚集体，并展现出完全不同的结构决定行为。具体而言，TPE-NS-α的聚集体结构由其溶液中具有自由构象的单分子决定，而TPE-NS-β中扭曲的分子构象则由聚集体这一整体所决定。这一完全相反的结构决定行为最终影响了聚集体的性质。其中，TPE-NS-α的光致变色（PC）和TPE-NS-β的光致发光（PL）行为是非活性的，这与它们在溶液中的性质相似。然而，TPE-NS-α中的PL和TPE-NS-β中的PC是活性的，这与溶液中的情况有所不同。通过研究单分子和聚集态下的构效关系，并进一步探索聚集前后这一关系的转变，可以作为理解整体究竟是等于还是大于其部分之和的可行方法。（点击查看CellPress细胞科学详细报道）
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美国马里兰大学胡良兵教授团队：如何清洗水果和蔬菜 → 高效、生物兼容的一维多孔材料Cu²⁺-螯合壳聚糖纳米晶
水果和蔬菜中农药和除草剂残留的存在对健康构成重大风险，使其成为全球消费者关注的主要问题。据此，来自美国马里兰大学胡良兵教授团队在Matter上发表了一篇题为“Ion-chelated porous chitosan nanocrystal for highly efficient postharvest preservation”的研究论文。作者团队用从虾蟹壳等渔业废弃物中提取的甲壳素纳米晶体，设计出了Cu2+-螯合壳聚糖纳米晶（Cu2+-ChNC），这是一种一维多孔材料。这些纳米晶体以Cu2+离子为骨架，形成了直径约为1.5纳米的独特纳米通道结构。同时，制备的Cu2+-ChNCs在吸收草甘膦和毒死蜱等常见化学残留物方面表现出卓越的效率。此外，由于Cu2+离子的抗菌特性，将Cu2+-ChNC水悬浮液涂抹在水果和蔬菜上可显著延长其保质期。更加重要的是，Cu2+-ChNC的合成过程是可扩展的，整个过程只使用美国食品药品管理局（FDA）认可的可安全用于食品的材料和化学品。研究表明，Cu2+-ChNC是一种很有前途的材料，可有效去除残留物，提高水果和蔬菜的采后保鲜效果。
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中国科学院金属研究所卢柯院士及李秀艳团队：CuZr金属玻璃分解可显著增强玻璃的弹性模量
金属玻璃通常表现出比晶体材料玻璃较低的弹性模量。结构弛豫可以促使非晶结构进入较低的能态，这是迄今为止唯一可以适度提高金属玻璃弹性模量的方法。有鉴于此，来自中国科学院金属研究所卢柯院士及李秀艳团队在Matter上发表了一篇题为“Decomposition-induced enhancement of elastic modulus in CuZr metallic glass”的研究论文，在该研究中，作者发现二元CuZr玻璃的分解可以大大提高其弹性模量。经过强化的塑性应变和退火，淬火后的均质玻璃分解成尺寸极小（小于10 nm）且化学成分不同的两种玻璃相。分解后玻璃的杨氏模量相比淬火非晶玻璃提高了约39%。作者指出模量的提升可能源于高密度玻璃/玻璃界面的产生以及非晶相有序度的提升。
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德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所Shahrouz Amini及Peter Fratzl院士团队：结晶固体中弹性变形场的三维映射
揭示各向异性固体中弹性变形的分布对于评价复杂材料的力学性能具有重要意义。然而，实际的弹性变形场(EDFs)需要在外加载荷和三维环境下进行研究，相关平面探究方法以及简化性假设无法探究其真谛。鉴于此，来自德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所Shahrouz Amini及Peter Fratzl团队在Matter上发表了一篇题为“In-operando 3D mapping of elastic deformation fields in crystalline solids”的研究论文。文中介绍了3D- RISM方法，这是一种可以在激光半透明材料中以亚微米分辨率绘制EDFs三维空间分布的方法。以地质陶瓷和生物陶瓷为例，作者可视化了赫兹接触下各向异性EDFs的3D分布和演变过程，以及各向异性对晶体塑性分布的诱导和微裂纹方向的调节作用。基于此，3D-RISM方法为复杂材料和器件中的变形张量的实时映射提供了一个有前景的平台，且为更好地理解具有泊松比的方位各向异性材料的行为开辟了新途径。
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加州大学洛杉矶分校Paul S. Weiss院士团队：Ti3C2TxMXene表面的原子尺度研究
二维碳化物和/或氮化物家族，也被称为MXenes，因其独特性能在科学界引起了广泛的关注。自MXenes发现以来，就被研究以用于多种应用。尽管受到如此关注，MXene表面局部电子的原子级分辨和物理结构的研究仍然非常有限，而这些结构是探究材料物理化学性质的关键。鉴于此，来自加州大学洛杉矶分校Paul S. Weiss团队在Matter上发表了一篇题为“Atomic-scale investigations of Ti3C2Tx MXene surfaces”的研究论文。在该研究中，作者使用扫描隧道显微镜和光谱学对Ti3C2Tx薄片表面的局部结构、光谱行为和化学性质展开研究，并与理论计算相结合。末端基团以及暴露于空气后形成的表面TiO2团簇得到可视化表征。此外，作者在文中也阐述了与MXenes及其氧化产物不同端基相关的局部电子结构和化学性质。
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