材料科学与工程学科A以上高校的2020NS发文情况

引言

进入2021年，全国高校新一轮学科评估即将开始。而在过去的几年里，材料科学与工程一级学科被评估为A+的高校共有三所，分别是清华大学、北京航空航天大学和武汉理工大学，被评估为A的学校有五所，分别是北京滚球体育 大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、浙江大学和西北工业大学。这些学校可以说引领了材料科学与工程学科的教育和研究，因此在本篇中我们总结了2020年度这些学校在材料方面的Nature、Science发文情况。参照国内的一般标准，均以第一单位或者通讯作者第一通讯单位是目标学校为准，并且正式出版日期为2020年。以此为标准，武汉理工大学、北京滚球体育 大学、哈尔滨工业大学以及西北工业大学均无检索记录。

清华大学

Science：极具耐久性的超长碳纳米管

超耐疲劳性的材料在飞机制造、悬索桥、防弹衣等方面具有广泛的应用价值和巨大的商业需求。碳纳米管作为经典的一维纳米材料，是目前已知的力学强度最高和韧性最好的材料，但由于其尺寸较小且缺乏有效测量方法，对于单根碳纳米管的疲劳行为以及疲劳破坏机制研究难度很大，严重限制了此类材料的长期发展。

超长碳纳米管的耐疲劳性能

针对这一挑战，清华大学的魏飞教授和张如范副教授（共同通讯作者）团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。研究人员开发了一种非接触声共振测试系统（ART），可对修饰了二氧化钛纳米颗粒的碳纳米管进行光学可视化研究。研究发现，手性不同的碳纳米管在共振中显示出不同的颜色，因此，具有沿其轴向方向发生结构或手性变化的单个CNT将在该方向上显示颜色变化。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比，ART系统不仅避免了电子束导致的样品损伤，也使得厘米级长度纳米材料的疲劳测试成为可能，同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。此外，对碳纳米管的疲劳损伤累积机制进行研究发现，其疲劳破坏不存在损伤累积过程，同时初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景，同时为碳纳米管在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104

Science：锡烯薄膜中发现第二类伊辛配对机制

超导体临界磁场是指在外加磁场下超导态转变成正常态所需的磁场强度。而近年来提出的伊辛配对机制则是为了解释原子级层厚薄膜在高强度磁场下仍然保持超导态的现象。由此发展出来的伊辛超导理论还预言了临界磁场的低温发散行为。然而，不管是伊辛机制解释还是理论预言都备受争议，亟需实验证据来夯实理论基础。

三层锡烯的超导性能

由清华大学薛其坤教授领导的中德团队于2020年在二维超导领域取得了重大突破。该团队的清华大学张定副教授、德国马普固态研究所的Jurgen Smet和北京师范大学刘海文研究员（共同通讯作者）等人合作，首次在具有高对称性的锡烯薄膜中观测到了数倍于理论预期的临界磁场，并清晰地观测到了温度逼近绝对零度时临界磁场的发散行为，获得了伊辛超导实验证据。研究利用原位旋转测量技术，在极低温强磁场下系统测量了不同厚度锡烯样品在近乎整个超导温度区间上临界磁场变化行为，发现上临界磁场不仅超出泡利极限，而且在温度逼近绝对零度时仍无饱和迹象，证实了伊辛超导行为。进一步的理论研究认为，这些现象是基于自旋轨道耦合与材料对称性的共同作用，属于新一类伊辛配对机制。该工作不但为伊辛超导的存在提供了实验证据，也拓宽了人们寻找伊辛超导的材料范围。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6485/1454

Science：揭示金属3D打印中匙孔气泡缺陷的起源

匙孔气泡与微流喷射

激光粉末床熔融成形是金属3D打印中广泛使用的一门技术，特别是在复杂结构零部件的制造方面优势明显。然而，该成形过程中气泡的存在始终会影响零部件的性能，因此理解气泡的形成机制对优化激光粉末床熔融成形技术至关重要。清华大学的赵沧、卡内基梅隆大学的Anthony Rollett和弗吉尼亚大学的Tao Sun（共同通讯作者）等人利用告诉X射线成像技术对锁孔形成进行了细致的观测。研究介绍，高速X射线能够在Ti-6Al-4V合金中对由匙孔尖端的临界失稳所造成的孔结构进行原位观测。而经过观测，宏观层面上，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受金属粉末加入的影响甚微。在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。因此，研究认为对孔隙缺陷形成的理解为避免孔隙产生从而构建高质量金属部件提供了路线图。

文献链接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abd1587

北京航空航天大学

Nature：超强层状结构纳米复合材料

诸如骨、牙以及肌肉等组织都是兼具强度和韧性的生物材料。这些优异的性能大都归因于无机纳米纤维在有机基质中能够呈现出精妙的层状微观结构。受此生物结构启发，包括层层组装、真空过滤等策略已经被用于发展层状纳米复合材料。然而，如何将超强层状纳米复合材料通过简单易行的方法进行量产化制备依然是亟待解决的问题。

层状纳米复合材料的制备和机理

北京航空航天大学的刘明杰（通讯作者）等人报道了一种在水凝胶/油界面利用剪切-流变诱导排列二维纳米片生产高度有序层状结构的方法。利用这一策略可制备基于氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料，其抗张强度（tensile strength）和杨氏系数（Young’s modulus）分别可以达到1215 ± 80MPa和198.8 ± 6.5GPa。特别是基于粘土纳米片的纳米复合材料，还展现出高达36.7 ± 3.0兆焦耳每立方米的韧性强度，这一强度数值比天然珍珠高20.4倍。定量分析还发现，排列有序的纳米片能够形成界面相，最终导致纳米复合材料展现出优异的力学强度。研究认为这一材料制备策略可以成为组装二维纳米纤维的通用方法，有利于高性能复合材料的发展。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8

Nature：单层材料制备新方法

合成机理图

传统制备二维过渡金属硫族化合物通常分为“自上而下”的合成方法和 “自下而上”的制备方法。但这些方法合成二维过渡金属硫族化合物的产率/单层率非常低（<1%），同时材料结构（尤其1T相）不稳定，严重限制了二维材料的应用。北京航空航天大学的杨树斌和莱斯大学的Pulickel M. Ajayan（共同通讯作者）等人提出合成二维材料的新方法——拓扑转化法，通过逐步转化非范德华固体（过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX）相等）直接大量制备出具有超稳定和超高单层率的单原子层二维过渡金属硫族化物。以MAX相为例，通过高温反应，较弱的金属键不稳定，导致非范德华固体中的A相与含硫族元素的气体反应生成气态产物，而M相则会反应形成二维过渡金属硫族化合物。通过调控MAX相的组成或者在反应体系中引入其他反应物，可以合成具有较高单层率（~30%）、超高温稳定（>1000摄氏度）的二维过渡金属硫族化物（2H/1T相）。文章合成了14种具有可控相结构的过渡金属硫族化合物，为攻克单层二维材料难以制备和不稳定等难题提供了新的途径。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x

Nature：高韧性金刚石复合材料

硬度和韧性（防止断裂）之间的平衡对材料性能提升至关重要，这一点在金刚石中体现得尤为明显。通过纳米构造策略既可以增加金刚石硬度，同时也可以韧化金刚石。为了进一步提高材料韧性，研究人员还发明了仿生复合增韧、转变增韧以及双相增韧等策略。然而这些策略却还未在金刚石类材料上实现增韧效果。

nt-金刚石复合材料的典型微结构

燕山大学的周向锋、田永君以及北航的郭林（共同通讯作者，郭林的第一通讯单位是北航）联合团队发文研究表征了金刚石复合材料。这种复合材料由金刚石多型（polytypes）、交织的纳米孪晶以及连锁的纳米晶粒分级组装而成。研究表明，相比于纳米构造策略，这一分级结构能够在不牺牲材料硬度的同时显著增强复合材料的韧性——增强的韧性更是超越镁合金达到人造金刚石的五倍之多。机理研究发现，当断裂产生时，裂缝通过3C（cubic）多型中纳米孪晶进行Z型扩散；当裂痕遇到非3C多型区域时，则会促使断裂表面附局部地转变成3C金刚石。以上两种裂痕扩散过程都会驱散减弱应变能，从而增强材料韧性。因此，文章认为这一发现能够在超硬材料以及工程陶瓷领域有所应用。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2361-2

上海交通大学

Science：无机塑性半导体

无机半导体在信息、传感器、催化以及能源领域具有广泛的应用的价值。作为柔性电子器件的核心，半导体材料期望具有良好的电学性能与优异的可加工和变形能力。然而，尽管电学性能优异，目前大多数块体无机半导体在室温条件下都具有内生脆性，缺乏可塑性和变形能力大大限制了无机半导体的进一步发展。

硒化铟单晶块体的超常塑性

中科院上海硅酸盐研究所的陈立东、美国克莱姆森大学的Jian He以及上海交通大学的史迅（共同通讯作者）等人联合报道了在二维硒化铟中发现超塑性变形能力（superplastic deformability）。研究发现，相比于多晶的硒化铟半导体，块体单晶硒化铟能够被数量级水平地进行压缩，从而可以在室温下演变成莫比乌斯带或者结构简单的类折纸形态。研究认为，在长程铟-硒库仑作用以及软性层内铟-硒键合的介导下，二维半导体会发生层间滑动（interlayer gliding）和跨层的位错滑移（dislocation slip）现象，最终导致了这一超常的可塑性行为。此外，研究人员还设计了一种综合性的可变形指标，可以对候选块体半导体进行预筛选，以此作为下一代可变形/柔性电子器件的潜在材料。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6503/542

浙江大学

Nature：新型的量子相变和奇异金属

CeRh₆Ge₄的晶体结构及铁磁性质

量子相变广泛存在于量子材料中，是凝聚态物理的重要前沿研究领域。随着研究的深入，量子相变理论的新现象在一些强关联电子材料体系中不断出现。因此，研究量子临界点的电子态变化，揭示量子临界行为的普适性，完善量子相变理论仍是当今的重要课题。浙江大学的袁辉球、Michael Smidman和罗格斯大学的Piers Coleman（共同通讯作者）等人首次在纯净的近藤晶格材料CeRh₆Ge₄中发现铁磁量子临界点存在的确凿实验证据，并且观察到奇异金属行为。CeRh₆Ge₄是一种准一维晶体，在低于2.5K温度时会发生铁磁相变，同时在较高的磁场下，其磁矩会随磁场的增加而增加。通过极端条件下的电阻、比热、磁化率等多种物性测量，研究发现该化合物的铁磁序随着压力的增加而逐渐被抑制，在临界压力p_c约为0.8GPa时出现了铁磁量子临界点。这些发现打破了人们对铁磁量子临界点的传统认知，为研究量子相变、揭示奇异金属行为开辟了新的方向。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2052-z

Science：透射电镜观察水分子在二氧化钛活性位点的反应

水蒸气环境中的重构二氧化钛表面的动态原子结构演变

在分子水平上对反应进行成像可以为理解催化反应机理提供直接的信息，然而目前还没有研究报道在原子尺度直接观测分子如何在催化剂表面发生反应。浙江大学张泽院士、王勇教授，上海应用物理所高嶷以及丹麦技术大学Jakob B. Wagner（共同通讯作者）等人合作利用环境透射电子显微镜，首次在原子尺度观察到催化剂活性位点上水分子的吸附活化和反应。研究以纳米晶体锐钛矿二氧化钛作为催化剂，该氧化钛表面为001型结构，发生重构具有特殊的重构结构，每四个晶格出现一个凸起。当水分子全部吸附在这一凸起上时，沿着这列凸起方向投影就应该能获得足够衬度的电子显微镜照片，从而可能看到水分子构型。以此进行实验，研究人员发现水分子进入体系后，解离为羟基和氢离子并与表面作用形成两个羟基和水分子的复合结构附着在这些凸起上。进一步地，研究将一氧化碳通入电子显微镜中，从温度、气压等各方面模拟出一个实际的化学反应环境，发现羟基和水分子的复合结构会消失，证实了水煤气催化反应的发生。这一研究成果对于揭示催化机理、进而设计更好的催化剂具有重大的意义。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6476/428

Science：多相催化剂体系实现高效甲烷转化

AuPd@ZSM-5-R和AuPd/ZSM-5催化剂的模型和TEM图像

由于甲烷储量丰富、甲醇具有高应用价值，因此如何实现甲烷转化甲醇一直是重要的研究课题。在制备甲醇的过程中，甲烷需要与催化剂介导的双氧水反应。然而，双氧水与甲烷往往反应不充分，导致甲烷的转化率很难突破3%。针对这一问题，浙江大学王亮研究员和肖丰收教授团队（共同通讯作者）报告了一种在温和温度（70°C）下通过原位产生过氧化氢来提高甲烷转化甲醇效率的多相催化剂系统。通过在硅酸铝沸石晶体中固定AuPd合金纳米粒子，再用有机硅烷修饰沸石的外表面，从而合成催化剂。沸石分子筛能够稳定金属纳米颗粒催化中心，避免了聚集现象，同时还能筛去杂质分子。长链的硅烷具有疏水性，能够避免亲水的双氧水的向外扩散，使其富集浓度增加了万倍级水平。这样一来，甲烷的氧化反应可加快进行，同时还能削弱产物甲醇与双氧水的竞争反应。实验发现，在70°C下，甲烷转化为甲醇的转化率为17.3%，甲醇选择性可达到92%，是目前的最高的水平。这项工作针对极具挑战性的催化反应设计了新型催化剂材料，为甲烷在能源体系中的应用提供了新的策略和思路。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6474/193

本文由NanoCJ供稿。

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