复旦Science！北航Science！清华Science！东方理工两篇Nature!|拓扑|晶格|能隙|电学|电场|电化学|北航science

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1、复旦大学化学系团队Science：破解尼龙关键原料生产绿色难题

尼龙66作为一种热塑性树脂，是一类重要化工材料，广泛应用于汽车零部件、工程塑料和纺织纤维，而它的核心原料己二腈（ADN），长期依赖有毒重金属电极生产。如今，这一传统生产路径有望被颠覆。北京时间10月2日凌晨，复旦大学化学系龚鸣副教授团队联合美国加州大学圣地亚哥分校、华东理工大学和上海交通大学研究团队，在《科学》（Science）期刊在线发表题为“Dynamic multimodal cation-carbon interaction for efficient adiponitrile electrosynthesis”的研究成果，他们开发出了一种用普通碳电极高效生产己二腈的新策略，通过改造电极表面的“微环境”，让己二腈选择性大幅提升，实现更高的能量效率。这一成果，有望打破己二腈生产过程中，对铅、镉等重金属电极的依赖，同时显著降低电耗，让化工生产过程更环保、更节能，为尼龙产业链的绿色转型提供全新思路。

己二腈的生产工业上主要依赖两条路线：一条是丁二烯与剧毒氢氰酸（HCN）反应，另一条是电化学丙烯腈加氢二聚法。前者涉及高毒性气体，安全和环保压力越来越大；后者虽然已经工业化半个多世纪，却必须使用铅、镉等重金属电极。面对这一难题，龚鸣团队没有继续在铅、镉等电极材料上打转，而是转向改造碳电极界面的新路径。他们注意到，碳电极是一个共轭强度很高的体系，可以借助苯环与碳表面的相互作用，促进丙烯腈向己二腈转化。在此原理基础上，他们做了一系列筛选实验，找到了一种能够改变界面“微环境”的特殊分子——苄基三己基铵（Bn(Hexyl)₃N⁺）。

团队发现，这类特殊分子改造碳电极界面的效果非常显著。在碳电极上，借助这一特殊分子，己二腈选择性超过80%，法拉第效率达到72.9%。相比之下，传统的四丁基铵（Bu₄N⁺）体系在碳电极上选择性低、效率差，尤其在高电流密度下迅速衰减。

阳离子-电极相互作用促进高效的选择性ADN电合成

实验结果证明，在相同电流密度下，这一新体系所需电压更低，能量效率更高。这一成果让原本副反应多、不适合用的碳电极变得高效可用。

苄基三己基铵——这类特殊分子为什么有效？为揭秘背后关键的作用机制，研究团队花费了一年半时间，进行了多种先进表征实验。

碳电极-苄基三己基铵之间的动态多模态相互作用

团队首先进行了电化学测试实验，结果显示，加入特殊分子后，电极/电解液界面的微分电容显著降低，说明阳离子在电极表面形成了更紧凑的双电层。加入丙烯腈后，电容急剧上升，对应丙烯腈阴离子自由基的生成。“苄基的引入让自由基生成更快、比例更高。”龚鸣介绍。

他们借助和频振动光谱（VSFG），直接“看”到了界面水分子的变化。在石墨烯/水界面上，加入特殊分子后，代表氢键网络的水分子信号大幅下降，说明阳离子把界面水排开了。与此同时，芳香C-H振动峰的出现，证明苄基确实与碳电极表面作用，并且发生了重新取向。

多模态阳离子-碳相互作用的谱学分析及作用机制

分子动力学模拟实验则进一步揭示了空间分布，特殊分子让丙烯腈在距离电极约1.0 nm处富集，而水分子则被推到更远处。正是这种“丙烯腈富集、水分隔离”的界面结构，让己二腈选择性大幅提升。

“探究结果背后的作用机制并不容易，我们做了多方面的实验验证，克服了很多困难。”论文第一作者、复旦大学化学系杜威博士说。基于反复实验，他们揭秘了特殊分子的作用机制——在电场作用下，分子会富集到碳电极表面。苄基与碳表面发生多种非共价相互作用，像“动态抓手”一样贴在碳表面；三条己基链则像“疏水屏障”，把水分子挤走，为丙烯腈腾出空间。

这样一来，碳电极上原本容易发生的析氢和副反应被抑制，己二腈的选择性明显提高，从而实现了用碳电极替代铅、镉电极的目标。

杜威在实验室

然而，实验室性能优异，还不等于工业可用。为验证成果的工业潜力，研究团队构建了两电极电解槽，阳极用泡沫镍，阴极用碳，电解液中含特殊分子。在50 mA cm-2电流密度下，他们发现，这一新体系的电压比传统铅-镍体系低约360 mV，能量效率显著提升。

但长期运行中，他们发现电流和己二腈产率会逐渐下降，原因是过程中会形成油状副产物，堵塞电极界面。受电化学中脉冲电位控制的启发，团队设计了“方波脉冲”策略，让阳离子在电极表面反复吸附-脱附，动态刷新界面。

两电极脉冲下放大电解器件示意图及性能

在脉冲策略下，三电极体系的己二腈选择性进一步提升，副产物比例也可以调控。这意味着，碳电极体系能超越过往的生产效率，且更加绿色、环保，传统铅、镉体系的生产路径有望被颠覆。

在有机电化学领域，这项研究成果提供了一种通用的界面调控思路。传统上，有机电合成优化往往聚焦于电极材料本身，而这项研究表明，电解液中的阳离子可以相互作用，主动塑造电极/电解液界面。

从铅到碳，从高能耗到更省电，这项研究还为尼龙产业链的绿色转型提供了一个切实可行的方向。随着电解槽和工艺的进一步优化，“碳电极+动态阳离子界面”的组合有望走向工业应用，让尼龙的生产更清洁、更高效。

目前，不止步于实验室的机理解释，团队已通过脉冲策略解决了稳定性问题，并在159 cm2电解槽中验证了性能，能量效率可提升约20%。虽然这项技术距离大规模工业部署仍有距离，但毫无疑问，它为解决有机电合成中的“环保vs效率”难题提供了一个令人振奋的方向。

下一步，团队将进一步提高己二腈的选择性与合成效率，充分展示成果的工业化潜力，让产业链看到其应用前景；同时，优化电化学反应中与负极配对的正极反应，改善整个电解体系的性能。他们还计划将改变界面微环境的策略迁移到其他电化学反应中，验证这一新思路是否同样有效。

团队期待，这项技术能够真正应用落地，让源自实验室的原始创新，转化为化工产业链上的绿色生产动力，助力己二腈的生产过程更加环保、高效。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef5175

2、Science！北航刘明杰教授团队在生物材料高强高韧机制与仿生纳米复合材料领域研究新进展

2026年10月1日，国际顶级学术期刊《Science》以Research Article形式发表了北京航空航天大学化学学院和仿生界面材料科学全国重点实验室刘明杰教授团队在生物材料高强高韧机制与仿生纳米复合材料领域的最新研究进展。论文题为“Hierarchical Crystalline Organic-Inorganic Framework Enabling High-Modulus Toughening in Nacre”。该研究以天然贝壳珍珠层为研究对象，从分子-微纳-宏观跨尺度出发，发现了无机相限域生物分子的晶态组织及多级次晶态有机-无机框架结构（Crystalline Organic–Inorganic Framework, COIF），揭示了其通过临界滑移长度和纳米钉扎实现高模量、高强度与高韧性协同的力学机制，并进一步将这一结构原理应用于再生珍珠层材料的设计，为突破传统复合材料中刚度与韧性难以兼顾的设计瓶颈提供了新的材料设计思路。

图1：三角帆蚌珍珠层中成熟层（ML）与过渡层（TL）的截面微观结构对比。

图2：三角帆蚌珍珠层成熟层（ML）与过渡层（TL）的力学性能对比。

通过高分辨透射电子显微镜及多尺度结构表征，研究团队在珍珠层内部发现了受无机相纳米限域的生物分子晶体，并由此揭示了不同于传统“砖泥”模型的晶态有机–无机组织方式。具体而言，宽约30纳米的文石纳米棒与厚度约5纳米的纳米限域生物分子晶体相互交织，形成具有跨尺度的多级次特征的晶态有机–无机框架。这一发现拓展了传统“砖泥”模型对珍珠层结构的认识，为揭示其多级次组织结构与优异力学性能之间的内在联系，以及高模量、高强度与高韧性协同的结构起源，提供了关键的微观结构证据。

图3：三角帆蚌珍珠层过渡层（TL）与成熟层（ML）的变形机制。

图4：成熟层（ML）的高模量增韧机制。

图5：重构珍珠层的制备与力学性能对比。

综上所述，本文揭示三角帆蚌成熟珍珠层内由晶态有机-无机框架（COIF）主导的高模量增韧机制。该结构借助临界滑移长度效应，使材料刚度与强度趋近理论极限；与此同时，纳米限域生物分子微晶发挥纳米销钉作用，缓解应力局域化，实现跨尺度协同形变，赋予珍珠层优异的断裂韧性。将该机理用于重构珍珠层仿生材料设计，制备所得样品表现出突出力学性能：弹性模量 43 GPa，断裂韧性12.8 MPa m0.5，临界裂纹长度 0.2 mm，塑性区尺寸 112 μm，成功实现刚度与韧性的解耦。本研究建立了基于 COIF 结构的普适性仿生材料设计策略，有望推广至各类具备纳米限域特征的纳米复合材料体系。

链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg1070

3、Science：清华大学李敬锋团队合作揭示基于极化子-缺陷复合体的超高压电性机制

压电材料具有机械能与电能之间可逆转换的特性，在微机电系统（MEMS）、高精度驱动器、超声换能器等关键领域具有广泛应用价值。传统铁电型压电材料虽响应速度快，但其压电应变系数提升面临本征物理限制；而基于氧空位等离子型缺陷调控的策略虽可显著增强应变输出，却受限于离子迁移动力学，导致响应速率下降。因此，探索高性能压电材料体系与新型压电机制，协同突破应变幅度与响应速度之间的固有权衡关系（trade-off），已成为当前压电功能材料研究的核心前沿方向。

清华大学材料学院李敬锋教授团队联合西安交通大学等单位，围绕该关键科学挑战持续开展系统性研究，近期在钙钛矿结构铌酸银基无铅铁电薄膜中首次发现超高压电响应特性：在直流偏压与交流激励协同作用下，其有效压电系数可达7170 pm/V，对应电致应变高达6.2%；即便在10 kHz更高频激励下，仍保持超过1000 pm/V的有效压电系数。同时，薄膜可稳定循环超过4000万次，未观察到明显的时间依赖漂移，展现出优异的疲劳稳定性。结合多尺度实验表征与理论计算，研究团队揭示了该超高压电性的微观物理机制：电子小极化子与晶格缺陷发生电学-弹性耦合，形成极化子-缺陷（polaron-defect, PD）复合体；在外加偏压下，局域电子以小极化子形式在相邻晶格位置间定向跃迁，使PD复合体重构，从而产生较大的缺陷极化；叠加交流电场后，极化子快速往复跃迁，使得数千赫兹频率下仍能保持较大的极化调制。该极化调制通过改变局域晶格畸变的各向异性，进一步转化为宏观应变，从而实现大电致应变与快速动态响应的协同（图1）。

图1极化子-缺陷复合设计实现千赫兹下的超高压电响应

在溶胶-旋涂法制备的K掺杂AgNbO3薄膜中，Ag+发生还原并不均匀析出，形成局域化学成分差异。原子尺度结构与电子态表征发现，在欠银区域易形成带正电的Nb占据Ag位的反位缺陷，并进一步聚集形成纳米尺度缺陷团簇，同时伴随局域晶格畸变（图2）。为实现电荷补偿，过量电子局域在反位缺陷附近的Nb位点，诱导Nb发生变价，进而形成极化子-缺陷复合体。这些缺陷团簇在薄膜内部呈空间分布，并产生显著的应变-电荷耦合效应。

图2 (Ag0.92K0.08)NbO3薄膜中极化子-缺陷复合体的原子尺度表征

激光多普勒面扫测试显示，该薄膜在直流偏压、1 kHz测试频率下，其有效压电系数达到7170±230 pm/V，较无缺陷铌酸银薄膜提升约350倍；随交流电场增强，薄膜最大电致应变达到6.2%（图3A-C）。为揭示其高机电响应的来源，研究团队开展了系统的机电响应与电学表征。结果表明，该响应与电场诱导的缺陷极化密切相关，而非源于传统铁电材料中的自发极化过程（图3B, D-E）；此外，自由载流子传输、焦耳热及电化学过程亦非其主要来源。值得注意的是，该机电响应表现出明显的频率弛豫特征，其特征弛豫频率较氧空位参与体系高约两个数量级（图3D-E）。进一步测试表明，可动缺陷迁移的激活能约为0.41 eV，明显低于相关氧空位迁移体系，并与小极化子跳跃过程相符（图3F）。这些结果为小极化子参与缺陷极化的快速调制提供了实验依据。

图3 (Ag0.92K0.08)NbO3薄膜中的机电响应与弛豫行为

为进一步揭示微观机制，研究团队采用电场原位二次谐波发生（SHG）、四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和同步辐射微聚焦X射线衍射（XRD）等先进表征技术，同时结合第一性原理计算和相场模拟，从实验与理论两个层面进行了交叉验证（图4）。结果表明，极化子与缺陷之间存在电学-弹性耦合，而外加电场驱动小极化子在相邻晶胞间快速跃迁，引发极化子-缺陷复合体的动态重构，并伴随局域缺陷极化增强和晶格畸变演化。这一过程是产生超高有效压电响应的关键微观机制。

图4电场作用下结构与极化状态的原位演变及理论模拟

在此基础上，研究团队进一步将该设计策略拓展至具有中心对称、非钙钛矿结构的Nb掺杂二氧化钛薄膜，在1 kHz下同样获得超过1000 pm/V的有效压电响应，显示出极化子-缺陷复合体设计向其他材料体系拓展的潜力。

本研究不仅展示了一种兼具高机电响应与快速动态特性的无铅功能薄膜材料，更揭示了极化子-缺陷协同调控机电响应的新机制，为高性能压电材料设计提供了新的思路。

相关研究成果以“极化子-缺陷复合实现超高压电性”（Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes）为题，于10月2日在线发表于国际著名期刊《科学》（Science）。

清华大学材料学院博士后舒亮和西安交通大学博士研究生彭古扬为论文的共同第一作者。清华大学材料学院教授李敬锋、西安交通大学教授武海军、清华大学材料学院副教授李千和北京科技大学教授徐坤为论文的共同通讯作者。论文重要合作者有北京理工大学教授黄厚兵、香港城市大学教授张树君、北京科技大学讲师施小明、西安交通大学院士孙军和教授丁向东等。

研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、新型陶瓷材料全国重点实验室研究项目、国家自然科学基金项目以及青年教师科研创新能力支持项目等资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg4972

4、Nature同期发两文！东方理工余雪佳团队携合作者，攻克物理学“禁区”

想象一下，试图在一锅沸腾的开水中，完好无损地保存一件精致的冰雕——在物理学家眼中，让“拓扑”与“临界”这两个概念共存，难度不亚于此。

几十年里，学界认定这两种性质水火不容：拓扑必须站在能隙之上，而临界恰恰是能隙消失的地方。

如今，这个被视为物理学禁区的铁律，被彻底打破。

临界拓扑

北京时间10月7日晚，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）同期发表两篇关于“临界拓扑”的重量级实验研究论文。

宁波东方理工大学理学部助理教授余雪佳作为两篇论文的共同通讯作者，为这两项独立实验提供了贯穿始终的核心理论支撑。新加坡南洋理工大学张柏乐教授团队与中国科学技术大学蒋建华教授团队主导完成两项实验。

论文截图

在传统教科书中，拓扑与临界点几乎是一对“宿敌”。

拓扑，关心的是物体在连续变形下保持不变的整体性质。比如，一只咖啡杯和一只甜甜圈，在拓扑学家眼中是“同类”。这种数字化的刚性，赋予了拓扑物态天然的稳定性。

临界点，则是相变的另一极——水在沸点变成蒸汽，磁铁在居里点失去磁性；在临界点附近，系统的微观细节被彻底磨平，只剩长波尺度的集体行为，看似无关的系统归入同一个“普适类”。

咖啡杯和甜甜圈在拓扑学家眼中是“同类”

对拓扑和临界这两大领域的研究，分别催生了2016年（授予拓扑物态研究）和1982年（授予临界现象理论）的诺贝尔物理学奖。几十年来，这两座物理学的“高峰”被视为互不相容：临界是无能隙的，而拓扑需要能隙；临界是连续的，拓扑是离散的。

“长期以来，人们普遍认为，能隙的闭合会破坏拓扑物理。”余雪佳在谈及研究初衷时表示，“但我与合作者近几年一直在思考一个问题：拓扑与临界是否真的水火不容？有没有可能，拓扑以某种方式丰富了我们对相变与临界现象的认识？”

余雪佳

带着这个疑问，包括余雪佳在内的少数理论物理学家开始了长达数年的理论深耕。然而，将不可能变为可能并非一蹴而就，而是一场漫长且孤独的远征。

“当我们最初提出‘临界点可以存在拓扑’的设想时，面临过很多专家同行的质疑。”回首这段历程，余雪佳感慨万千。

从2022年提出量子临界点的拓扑分类理论，到2024年提出广义拓扑体边对应关系，再到2026年进一步将相关理论拓展至非平衡动力学。余雪佳团队与国际同行一起，一步步在理论的荒原上，构建起了“临界拓扑”的完整理论框架。此外，余雪佳教授还与北京大学教授徐莉梅、浙江大学讲席教授林海青院士一起合作，受邀在国际顶级综述《物理学报告》（Physics Reports）发表该领域首篇长文综述，系统梳理了“临界拓扑”发展脉络。

尽管理论蓝图日渐清晰，实验却始终无法跟上。

要在真实物理系统中精准地到达临界点，同时让体态完全无能隙，还要在漫天涨落的背景噪声中“捕捉”到拓扑边缘态的信号——这几乎等于让一列高速列车在悬崖边缘精确停稳，还要测出车轮上的一粒尘埃。

因此，多年来所有关于临界拓扑的激动人心预言，都只能停留在纸面与数值模拟中。

为了跨越从理论到现实的鸿沟，余雪佳携手国内外顶尖实验团队，将东方理工的“理论智慧”注入到两项截然不同的实验设计中，最终利用声学超材料这一人工结构平台，在实验上清晰观测到了临界拓扑现象，实现了从零到一的突破。

作为这两篇《自然》论文的共同通讯作者, 余雪佳在实验相关的理论建模、机制阐释与物理图像分析方面提供了核心支撑。

在周期驱动与静态声学超材料中观测临界拓扑现象

在第一项题为“Observation of critical topological phase transition”的工作中，实验团队基于前期余雪佳提出、并与合作者共同发展的理论方案，成功观测到一维弗洛凯临界点处的拓扑零能模与π模，实现了临界拓扑现象。新加坡南洋理工大学博士后研究员程哲宇、西北工业大学博士后研究员张秀海为共同第一作者；余雪佳与中国海洋大学教授周龙文、新加坡国立大学讲席教授龚江滨、新加坡南洋理工大学教授张柏乐为共同通讯作者。

在声学超材料中分别测量弗洛凯临界点处的能谱与拓扑零能模与π模以及静态二维临界点的体态纠缠谱

在第二项题为“Experimental observation of critical topology”的工作中，实验团队则采用余雪佳教授提出的广义Li-Haldane体边对应关系，通过纠缠谱在实验上实现了对一维与二维临界拓扑现象的观测。香港大学博士后研究员林志康、中国科学技术大学博士生王立威、苏州大学博士生孔泽霖为共同第一作者；余雪佳与香港大学讲座教授张霜、中国科学技术大学讲席教授蒋建华为共同通讯作者。合作者还包括香港大学博士后研究员周尧和浙江大学讲席教授、中国科学院院士林海青。