来打开自己的脑洞，往往越是奇葩的奇思妙想，越能发顶刊！

人类探索未知的道路从来没有尽头，正所谓“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。人们思维活动的创造毫无疑问是人类意识在反映客观存在的基础上发挥主观能动性的实践过程。今天，和我们一起脑洞大开，畅想一下未来可能改变世界的发明或者理论，也许，你之前敢都不敢想的事情，现在就真的发生在你身边。笔者盘点了顶刊里那些很接地气，且脑洞大开的研究。先睹为快吧！

1 竹子制成的坚韧和可伸缩的结构材料强度超过钢

美国马里兰大学胡良兵教授等人设计了一种简单而有效的自顶向下的方法，将天然竹子加工成一种重量轻但强度高的散装结构材料，其抗拉强度高达≈1 GPa，韧性为9.74 MJ/m³。竹子的密度是由部分去除其木质素和半纤维素，其次是热压，长而整齐的纤维素纳米纤维显著增加了氢键，大大减少了竹材结构的结构缺陷，使竹材具有较高的机械拉伸强度、弯曲强度和韧性。经过密实处理的竹子中木质纤维素的低密度导致其比强度为777 MPa cm³g⁻¹，显著高于其他报道的竹子材料和大多数结构材料(如天然聚合物、塑料、钢和合金)。这项工作展示了用丰富的、快速生长的和可持续的竹子大规模生产轻质、坚固的块状结构材料的潜力。相关研究以“A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo ”为题目，发表在Advanced Materials上。

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DOI: 10.1002/adma.201906308

图1 天然竹子向致密竹子转化的示意图及抗拉强度、特殊刚度及生长速率对比

2废塑料、废食物、石油焦炭秒变石墨烯

大多数批量生产的石墨烯采用自上而下的方法，即剥离石墨，通常需要大量的溶剂和高能混合、剪切、超声波或电化学处理。虽然石墨化学氧化成氧化石墨烯会促进剥落，但需要苛刻的氧化剂，在随后的还原步骤之后，石墨烯会出现穿孔结构缺陷。在这项工作中，莱斯大学Rouzbeh Shahsavari教授联合Boris I. Yakobson教授展示了通过快速焦耳加热廉价的碳源（例如煤，石油焦炭，生物炭，炭黑，废弃食品，橡胶轮胎和混合的塑料废料），可以在不到一秒钟的时间内获得g级的石墨烯。该产品以其生产工艺命名为Flash Graphene (FG)，显示了在堆叠的石墨烯层之间的涡轮增压排列。FG合成不需要加热炉，不需要溶剂或反应气体。产量取决于碳源的含量；当使用高碳源，如炭黑、无烟煤或煅烧过的焦炭时，产量可达80%至90%，而碳纯度大于99%。无需任何净化步骤。拉曼光谱分析显示FG存在一个低强度或缺失的D带，这表明FG是石墨烯迄今报道的最低缺陷浓度之一，并证实了FG的涡轮应变堆积，这与涡轮应变石墨有着明显的区别。FG层的无序取向有利于其在复合材料形成过程中混合后迅速剥落。合成FG的电能成本仅为每克7.2千焦，这使得FG适合用于塑料、金属、胶合板、混凝土和其他建筑材料的大块复合材料。该研究以“Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis ”为题目，发表在nature上。

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DOI:10.1038/s41586-020-1938-0

图2 有多种碳源的FG合成

3 简单粗暴的锤击促进有机小分子氧化还原反应

在过去的十年中，光氧化还原催化利用光能来加速键形成反应。日本北海道大学的Hajime Ito团队通过压电效应开发出一种补充方法，用于响应所施加的机械能而对小有机分子进行氧化还原活化。在此，报道了通过球磨对压电材料的搅拌减少了芳基重氮盐，该机械氧化体系可用于机械化学条件下的芳基化和硼基化反应。甚至可以通过锤击这种简单粗暴的方式来促进反应的进行。该反应条件温和、操作简单、底物兼容性较好；与光化学策略相比，能够在更短的时间内达到高的收率。相关研究以“Redox reactions of small organic molecules using ball milling and piezoelectric materials ”为题发表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aay8224

图3 有机合成中激活小有机分子的机械反应体系的工作假说

4 聚丙烯腈纤维力学性能刚刚的

在材料科学中，高强度和高韧性之间存在内在的矛盾，只有通过使用创新的设计原理才能解决不同材料的矛盾，先进材料必须高度抗变形和抗断裂。德国拜罗伊特大学Andreas Greiner教授多名学者共同合作克服了人造聚合物纤维中的这种冲突，并展示了多纤聚丙烯腈纱线，其韧性为137±21焦耳/克，拉伸强度为1236±40兆帕，和蜘蛛丝相似。近乎完美的单轴取向的原纤维，在存在连接分子的张力下进行退火，对于纱线机械性能至关重要。该基本原理可用于将来从其他聚合物中制造出类似的强韧纤维，并可用于生物医学，卫星技术，纺织品，飞机和汽车等领域的各种应用。相关研究以“High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials”为题发表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aay9033

图4不同处理工艺下纱线的照片和SEM图像

5 当“俄罗斯套娃”遇到一维范德华异质结构

异质结构是一类材料，其中不同原子层同轴地堆叠。日本东京大学Rong Xiang 教授联合印度、中国、美国等多名学者介绍了一维（1D）范德华异质结构的实验合成，证明了单壁碳纳米管（SWCNTs）上六方氮化硼（BN）和二硫化钼（MoS₂）晶体的单晶层的生长。 对于后者，更容易合成克服应变效应的大直径纳米管。他们还报告了一个5nm直径的异质结构，该结构由内部SWCNT，中间的三层BN纳米管和外部的MoS₂纳米管组成，类似于类似“俄罗斯套娃”的一维范德华异质结构，电子衍射证实异质结构中的所有壳都是单晶。 这项工作表明，当前2D库中的所有材料都可以卷入其1D对应物中，并且可以实现大量功能可设计的1D异质结构。相关研究以“One-dimensional van der Waals heterostructures”为题发表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aaz2570

图5 SWCNT- MoS₂1D异质结构的结构表征

6 细菌产物让空气也能发电

从环境中收集能量为自持系统提供了清洁能源的希望，诸如太阳能电池、热电设备和机械发电机之类的已知技术具有特定的环境要求，这些要求限制了它们的部署位置，并限制了其连续发电的潜力。大气湿度无处不在提供了另一种选择，但是，由于缺乏持续的转换机制，现有的基于水分的能量收集技术只能在周围环境中产生间歇性的，短暂的（短于50秒的）能量爆发。美国麻省理工学院的Derek R. Lovley教授 和Jun Yao教授等人证明了由从硫还原微生物中获得的纳米级蛋白质线制成的薄膜设备可以在环境中产生连续的电力。这些器件在7um厚的薄膜上产生约0.5V的持续电压，电流密度约为每平方厘米17mA。研究发现，这种能量产生的驱动力是当薄膜暴露于空气中自然存在的湿气时在薄膜内形成的自我维持的水分梯度，线性连接多个设备会按比例放大电压和电流，以连接电子设备。结果表明，与其他可持续方法相比，连续性能源收集策略的可行性受到位置或环境条件的限制较小。相关研究以“Power generation from ambient humidity using protein nanowires ”为题发表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9

图6纳米线设备和电力输出示意图

7新型三极管型水滴发电机

人们已经做了大量的努力来从水中获取能量，这些能量以雨滴、波浪、潮汐和其他形式存在。然而，实现高密度的发电是具有挑战性的。传统的水力发电主要采用电磁式发电机，重量大、体积大、效率低下、供水不足。作为替代的基于水滴/固体的摩擦纳米发电机，到目前为止产生的峰值功率密度小于1瓦特每平方米，由于限制界面作用特征的电荷生成和转移发生在固液和液液界面。在这里，香港城市大学的王中林教授等人开发了一种装置，通过使用在铟锡氧化物衬底和铝电极上的聚四氟乙烯薄膜结构，从撞击的水滴中获取能量。研究表明，撞击的水滴在设备上的扩散将最初断开的组件桥接到一个闭环电气系统中，将传统的界面效应转变为体积效应，从而使瞬时功率密度比等效设备提高了几个数量级。该研究以“A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density ”为题发表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-020-1985-6

图7 水滴电力发电机设计的原理图

8干燥双面胶带，用于粘接湿组织和设备

两个干燥的表面可以通过分子间的作用力，如氢键、静电相互作用和范德华相互作用等，立即粘附在一起。然而，当涉及到身体组织等潮湿表面时，这种瞬间粘附是具有挑战性的，因为水将两个表面的分子分开，阻止了相互作用。虽然组织粘接剂相对于缝合或吻合术有潜在的优势，但现有的液体或水凝胶组织粘接剂存在着粘接力弱、生物相容性差、与组织机械匹配差、黏附形成缓慢等缺陷。在此，美国麻省理工学院的Xuanhe Zhao教授等人提出了一种由生物聚合物(明胶或壳聚糖)和N-氢丁二酰亚胺酯接枝的交联聚(丙烯酸)组成的干双面胶带(DST)的替代组织胶粘剂。这种DST的粘附机制依赖于从组织表面去除界面水，从而导致与表面的快速暂时性交联，随后在组织表面与胺基共价交联，进一步提高了DST的粘附稳定性和强度。体外小鼠、体内大鼠和体外猪模型显示，DST可在5秒内实现不同湿动态组织与工程固体之间的强粘附。DST可用作组织粘合剂和密封剂，并可将可穿戴和可植入式装置附着在湿组织上。相关研究以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices ”为题发表在Nature上。

文献链接：

DOI:10.1038/s41586-019-1710-5

图8干法DST和干法交联机理对湿组织和器件的附着力

9轻如水的液态金属实体

液态金属具有良好的导电性和灵活性，在开发可穿戴设备和柔性机器人方面具有重要意义。但是，事实证明，这种金属的高密度是许多实际情况的主要问题。在这里，清华大学的刘静教授团队，提出了一种轻如水的液态金属轻实体概念材料。展示了一种由共晶镓铟合金（eGaIn）和玻璃泡组成的非常规超轻材料，可以减少其密度低于2.010甚至0.448 g /cm³，甚至比水轻，但仍保持良好的一致性，电导率和刚度变化调节体温。该材料可进一步通过折纸或力的调节来构建各种复杂的结构，代表各种应用场景，可重复使用8次，功能损失不明显。在此基础上，设计了具有开关和加载元件功能的浮力元件。在不久的将来，轻质液态金属实体有望用于制造各种先进的软机器人和水下设备。相关研究以“Lightweight Liquid Metal Entity”为题发表在Advanced Functional Materials上。

文献链接：

DOI: 10.1002/adfm.201910709

图9 玻璃泡和GB-eGaIn

10剪纸艺术与具有机械稳定性薄膜太阳能电池的高度融合

开发具有大应变和高循环机械耐受性的可拉伸太阳能电池是可穿戴和皮肤界面电子应用的挑战。在这项工作中，中国科学院宁波材料技术与工程研究所宋伟杰研究员和王维燕副研究员等人使用剪纸艺术设计演示了一种太阳能电池。实验和力学模拟结果表明，剪纸艺术结构（kirigami）通过面外变形有效地提高了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的拉伸性能，显著降低了器件的应力。基于kirigami的PSCs具有最佳的几何参数，具有较高的机械变形能力，包括拉伸能力(应变可达200%)、扭转能力(角度可达450o)和弯曲能力(半径可达0.5mm)。更重要的是，kirigami 基PSCs显示出较高的机械耐力，即使在重复1000次拉伸、扭转和弯曲循环后，其性能几乎没有改变。本文提出的可拉伸PSCs的kirigami设计为太阳能电池以及其他光电子器件实现高变形能力提供了一种很有前途的策略。相关研究以“Kirigami-Based Highly Stretchable Thin Film Solar Cells that are Mechanically Stable for More than 1000 Cycles”为题目，发表在ACS Nano上。

文献链接：

DOI: 10.1021/acsnano.9b06562

图10 kirigami PSCs稳定性测试

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