Nature/Science盘点: 五月材料领域重大进展

1、Nature：集成水凝胶的自适应蛋白质晶体

加利福尼亚大学F. Akif Tezcan（通讯作者）团队研究发现具有水凝胶聚合物的大分子铁蛋白晶体可以各向同性地膨胀至其原始尺寸的180％，并且超过其原始体积的500％，同时保持周期性排序和多面Wulff形态。水凝胶网络和铁蛋白分子之间的动态结合相互作用赋予晶体有效抵抗碎裂和自愈的能力，而铁蛋白分子的化学调整能够在单晶内产生化学和机械分化的结构域。因此，即使相邻的铁蛋白分子在晶格膨胀时分离50埃后，它们之间的特定分子接触可以在晶格收缩时重新形成，实现了迄今为止报道的原子级周期性和最高分辨率铁蛋白结构的恢复。

文献链接：文献链接：Hyperexpandable, self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks（Nature, 2018, DOI:10.1038/s41586-018-0057-7）

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2、Science：增强纳米尺度金属晶粒的热稳定性

中科院沈阳金属研究所卢柯研究员和李秀艳研究员团队（共同通讯作者）报道了小于临界尺寸的金属晶粒的热稳定性随着其晶粒尺寸的减小而增强。研究团队使用纯度为99.97％，表面为粗晶的不含氧Cu棒，在液氮温度下使用表面机械研磨处理（SMGT）以产生梯度纳米表面层，以此形成平均尺寸为〜40±2 nm和长径比为1.7的随机取向晶粒。对这一类金属晶粒的研究表明，纯铜或镍在低温下塑性形变产生纳米级晶粒的过程导致部分位错活化，从而使纳米晶粒之间形成低角度晶界，导致纳米晶晶界自动从高能态演变到低能态，最终增强了热稳定性。

文献链接：Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size（Science，2018, DOI: 10.1126/science.aar6941）

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3、Nature：自评估和自修复液晶材料

威斯康星大学Nicholas L. Abbott（通讯作者）团队的研究表明一系列刺激可以触发最初被捕获在液晶内的微型（水性微滴或固体微粒及其化学物质）脉动（瞬时）或连续释放。在此种现象基础上，可以通过不同几何形状（如孔，膜和乳滴）中的弹性，电双层，浮力和剪切力的相互作用进行预编程来实现液晶材料自我预估和自我调节化学反应的方式。因此，这类新型液晶材料在载体控制释放药物等领域有着良好的应用潜力。

文献链接：Self-reporting and self-regulating liquid crystals（Nature, 2018, DOI:10.1038/s41586-018-0098-y）

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4、Nature：逼近范德瓦耳斯金属-半导体结中的肖特基-莫特极限

加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授、黄昱教授（共同通讯作者）团队报道了通过将金属薄膜原子级地层压到二维半导体上来创建范德瓦耳斯金属-半导体结的方法。通过这种方法创建的界面不存在化学键合作用，因此可以避免化学性损伤。而由于接近肖特基-莫特极限的肖特基势垒高度由金属功函数决定，因此该研究利用具有与MoS₂价带边缘匹配的功函数的金属膜（Ag或Pt）获得了开路电压为1.02V的Ag-MoS₂-Pt光电二极管，不仅在实验上验证了理想金属半导体连接点的基本极限，而且还定义了可用于高性能电子和光电子的金属集成的高效无损的策略。

文献链接：Approaching the Schottky–Mott limit in van der Waals metal–semiconductor junctions（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0129-8）

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5、Science：在2D范德华晶体绝缘体中探测磁性

美国麻省理工的P. Jarillo-Herrero（通讯作者）的团队报道了分层磁绝缘体CrI₃的隧穿与温度和施加磁场的关系，同时还检测了磁性基态和层间耦合并成功观察到场诱导的磁性转变。其中超磁转变分别对双层，三层和四层CrI₃阻挡层产生了95％，300％和550％的磁阻，进一步测量的非弹性隧道谱也揭示了与CrI₃中集体磁激发一致的光谱。

文献链接：Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar3617）

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6、Science：具有纳米尺度图灵结构的聚酰胺膜

浙江大学张林教授（通讯作者）课题组研究尝试在水相中加入一定量的聚乙烯醇，由于聚乙烯醇和活性剂之间的氢键作用增加溶液粘度，降低了活性剂的扩散速率，从而使得活性剂与抑制剂之间的扩散系数差异满足图灵结构的产生条件。以此现象为基础，该研究报道了两种不同的图灵结构，其具有良好的透水性和盐选择性，在水净化方面具有重要的应用价值。

文献链接：：Polyamide membranes with nanoscale Turing structures for water purification(Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar6308)

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7、Science：获得最大ZT值的SnSe晶体

北京航空航天大学大学赵立东和南方滚球体育 大学何佳清（共同通讯）等人在773K温度下实现了在平面外的n型硒化锡（SnSe）晶体中的最大ZT值（〜2.8±0.5）。层状SnSe晶体的热导率在面外方向[二维（2D）声子传输]中是最低的。而本研究用溴掺杂SnSe以制备具有重叠层间电荷密度（3D电荷输运）的n型SnSe晶体，连续的相变增加了结构对称性并使两个会聚导带发散。这两个因素同时改善了载波的移动性，并且保留了很大的Seebeck系数。该研究结果可应用于二维分层材料，并提供了一种新的策略来增强平面外电输运性能而不降低热性能。

文献链接：3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals（Science, 2018, DOI:10.1126/science.aaq1479）

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8、Nature：垂直排列液晶MXenes电容无厚度依赖

宾夕法尼亚大学Shu Yang教授和德雷塞尔大学Yury Gogotsi（共同通讯作者）合作进行了一项崭新的研究：二维MXene（Ti₃C₂Tx薄膜）材料液晶相的垂直排列可使材料的电容与其厚度无关。研究人员通过自组装的方法实现了二维Ti₃C₂Tx薄膜盘状液晶相的垂直排列，所得的电极薄膜展现出优异的性能，其性能几乎与薄膜的厚度（200 μm）无关，这使得其在储能领域和未来工业化具有巨大的潜力。此外，该自组装方法可规模化应用，而且这种方法也可以扩展到涉及定向传输的其他体系，如催化和过滤等。

文献链接：Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0109-z）

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9、Nature：石墨烯纳米带的磁边缘状态及相干操控

英国牛津大学材料系Lapo Bogani（通讯作者）团队利用稳定的自旋轴承基团功能化分子石墨烯纳米带解决了石墨烯研究领域的关键问题。该研究首先观察到了理论预测的非局域磁边缘状态，并检测验证了自旋动力学和自旋-环境相互作用的理论模型。与非石墨化的参考材料相比，能够清楚地识别自由基功能化石墨烯纳米带的特征行为。接着，研究还量化了自旋轨道耦合的参数，定义了相互作用模式，并确定了自旋退相干通道。即使没有任何优化，自旋相干时间能够在室温下的微秒范围内，实现边缘和自由基自旋之间的量子反演操作。由此，该项研究提供了一种在石墨烯纳米带实验中测试磁性理论的方法。

文献链接：Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0154-7）

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10、Science：激子扩散长度达到200nm的PDHF纤维

剑桥大学Richard H. Friend，布里斯托大学George R. Whittell以及Ian Manners教授（共同通讯作者）等人分别以聚乙二醇和聚噻吩等为原料制备了具有电晕结构的有机半导体纳米纤维。在这种纳米纤维中，由于Π-Π堆积作用，中心核区的激子能够迁移到聚聚噻吩电晕结构中，同时实现大于200nm的超长扩散距离和巨大的扩散系数，更重要的是，这个距离可以通过改变聚乙二醇的长度来调节，因此该特征可能有潜力被用于有机器件如光伏发电的开发中。

文献链接：Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth（Nature, 2018, DOI:10.1126/science.aar8104）

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11、Nature：质子陶瓷燃料电池

美国马里兰大学的Chuancheng Duan和ryan O’Hayre（共同通讯）作者等人研究了在500至600℃之间，11种不同燃料（氢气，甲烷，家用天然气（含和不含硫化氢），丙烷，正丁烷，异丁烷，异辛烷，甲醇，乙醇和氨）的质子陶瓷燃料电池的长期测试结果。经过6000多个小时的电池测试，几种燃料中都表现出优异的性能和卓越的耐用性（在大多数情况下，每1000小时降解量低于1.5个百分点），而无需对电池组成或结构进行任何修正。电池可以容忍大幅度的温度的波动，即使经过数千小时的运行，也没有观察到焦化现象。质子陶瓷燃料电池器件在该项研究中所展现的燃料灵活性和长期耐用性凸显了该技术的前景以及其商业应用的潜力。

文献链接：Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0082-6）

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本文由材料人学术组NanoCJ供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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