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《自然》《科學》一周（6.12-6.18）材料科學前沿要聞

2017-06-26 15:26:37 作者：本網整理來源：新材料在線分享至：

1. 金屬鋰中的量子化和同位素效應

Quantum and isotope effects in lithium metal

零壓力和溫度下元素的晶體結構是凝聚態物理學中最基本的信息。數十年來一直認為最簡單的金屬元素鋰具有復雜的基態晶體結構。通過對金剛石砧座中使用同步加速器 x 射線衍射和結合密度泛函理論與分子動力學的多尺度模擬，Ackland 等人表明以前接受的馬氏體基態是亞穩態。實際的基態是面心立方（fcc）。其中發現，在相似的熱路徑下，鋰的同位素在馬氏體轉變溫度方面表現出相當大的差異。作為結構由量子效應主導的氦和質量較高的元素之間的金屬中間體，鋰展現出了核量子力學效應。通過解開量子動力學復雜度，Ackland 等人證明了 fcc 鋰是基態，并通過降壓合成了它。（Science DOI: 10.1126/science.aal4886）

2. 來自室溫下光學機械腔的量子相關性

Quantum correlations from a room-temperature optomechanical cavity

位置測量的行為會改變被測物體的運動。這種量子測量的反作用通常比室溫下物體的熱運動要小得多，因此難以觀察。通過使激光通過納米機械束，Purdy 等人測量了光束的熱驅動振動，并以由海森堡測量-擾動不確定性關系決定的光學力波動來擾動其運動。由此展示了一種互相關技術，來將光驅動與熱驅動運動區分開來，從而將觀察量子反作用標志提升到室溫。利用由基本常數確定的量子關聯規模來測量熱運動的大小，證實了以量子機械校準標度達到絕對溫度測量的途徑。（Science DOI: 10.1126/science.aag1407）

3. 打破洛倫茲互易來克服物理與工程中的時間帶寬限制

Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering

物理與工程學中有個上百年的理念主張認為，任何一個具有帶寬 Δw 的系統都可以在一個與帶寬成反比（Δt·Δw?2π）的受限時間段 Δt 內與波相互作用。這個定律嚴格限制了光子學、腔體量子電動力學、光力學、聲學、連續介質力學以及原子和光學物理學中所有類型的諧振和波導系統的一般能力，但這被認為是源于基本的傅里葉互易且是基礎的定律。Tsakmakidis 等人建議在洛倫茲互易被破壞的系統中可以消除這個“基礎的”限制。隨著系統的輸運特性越來越不對稱，可以超過限制的程度也越來越大，并且從理論上證明了如何在一個精心設計的磁化半導體異質結構中，通過使用現實的材料參數來超過上述極限一個數量級。這項研究結果修改了線性、時間不變共振系統的一般模式，挑戰了高質量諧振必須總是窄帶寬的原則，并提供了開發具有前所未有的高帶寬性能器件的可能性。（Science DOI: 10.1126/science.aam6662）

4. 基于極性匹配的交叉耦合實現選擇性 sp3 C-H 烷基化

原標題：Selective sp3 C-H alkylation via polarity-match based cross coupling

碳-氫鍵（C-H）的官能化是對有機化學中分子結構最有吸引力的方法策略之一。氫原子因在有機分子中的較大豐度以及在合成序列中幾乎任何階段官能化都有效的優點，被認為是理想的耦合柄。盡管許多 C-H 官能化反應涉及 C（sp3）-C（sp2）耦合，但對 C-H 烷基化反應的需求還是日益增長，其中的 sp3 C-H 鍵被 sp3 C-烷基所取代。Le 等人通過光氧化、鎳和氫原子轉移催化的組合，敘述了基于極性匹配的選擇性 sp3 C-H 烷基化。該方法同時使用三個催化循環來實現氫化 C-H 鍵的取代（通過極性匹配實現）、烷基鹵化物氧化加聚和還原消除，從而實現烷基-烷基片段的耦合。sp3 C-H 烷基化對于胺、醚和硫化物的α-C-H 是高選擇性的，這在藥學相關結構中比較常見。這種交叉耦合方案有機會使在從頭合成和后期官能化化學中廣泛的合成應用成為可能。（Nature DOI: 10.1038/nature22813）

5. 電化學應變顯微鏡探測有機電化學晶體管中離子吸收和性能的形態誘導變化

Electrochemical strain microscopy probes morphology-induced variations in ion uptake and performance in organic electrochemical transistors

有機半導體材料中的離子傳輸現象支持了從生物電子到能量存儲范圍的新興技術。這些系統的性能受到的來自有機半導體獨特的薄膜形態、離子輸運和電子傳輸的相互作用的影響，但還都不甚了解。Giridharagopal 等人使用原位電化學應變顯微鏡（ESM），證明了可以通過測量半導體電化學氧化后的離子吸收的亞納米體積膨脹來直接探測聚合物器件中離子遷移的局部變化。ESM 數據顯示，聚（3-己基噻吩）電化學器件表現出與器件運行和電致變色相一致的電壓依賴性異相膨脹。數據顯示，聚合物半導體可以同時顯示出場效應和電化學運作環境，其運作模式及其分布隨著納米尺度膜的形貌、離子濃度和電位的變化而變化。重要的是，通過將應變異質性與局部剛度圖相關聯提供了對結構-功能關系的直接測試。這些數據表明，離子吸收的納米尺度變化與聚合物填料的局部變化有關，這可能會阻礙離子在相同的宏觀膜內不同程度的遷移，并且可以為將來的材料優化提供信息。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4918）

6. 非平衡贗晶體中出現的束縛光子帶隙

Emergence of an enslaved phononic bandgap in a non-equilibrium pseudo-crystal

遠離熱力學平衡的材料體系具有能展現出類似生物體的動力學性質和性能的潛力。Bachelard 等人實現了一種非平衡材料，其特征在于有個帶隙受到外部相干驅動的波長的支配。該結構能夠動態自組裝成一個非常規的元素之間動量平均分配的贗晶體幾何。新出現的帶隙具有類生物的特性，例如自我修復的能力且能適應驅動的突然變化。他們最后還得出了空間組織和帶隙特征的確切解析解，并揭示了這種束縛的機制。這項工作提出了構想類生物非平衡材料的框架，并強調了通過外部自由度動態決定材料性質的潛力。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4920）

7. 在射頻加熱的多離子等離子體中高效地產生高能離子

Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating

Kazakov 等人描述了在多離子等離子體中利用電磁離子回旋加速波高效地產生高能離子的新技術。所討論的“三離子”情景特別適用于非常低數量的諧振離子的強波吸收。為了觀察這種效果，必須根據理論規定適當調整等離子體組成。Kazakov 等人在世界上最大的等離子體磁約束裝置 JET（歐洲聯合環狀反應堆，英國卡勒姆）和高磁場托卡馬克 Alcator C-Mod（美國劍橋）上展示了該方法的潛力。獲得的結果證明了 3He 離子能夠在專用氫氘混合物中高效地加速到高能量。同時，因為高速 3He 離子的減速，而觀察到了高效的等離子體加熱。這項開發的技術不僅僅限于實驗室等離子體，還可以用于解釋在空間-等離子體環境中的高能離子的觀測，特別是對 3He 豐富的太陽耀斑的觀測。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4167）

8. 用于長循環壽命水溶液充電電池的通用醌電極

Universal quinone electrodes for long cycle life aqueous rechargeable batteries

水溶液充電電池具備電網蓄電和車輛運行所需的安全性、穩健性、可靠性和環境友好性，但由于陽極材料的結構和化學不穩定，導致它們的循環壽命不高。Liang 等人利用醌結構穩定的離子配位電荷存儲機制和對水溶液電解質的化學惰性，將其作為穩定的陽極材料。在合理選擇/設計醌結構后，Liang 等人展示了與工業上建立的陰極和電解質相結合的三種系統，其展現出長循環壽命（高達 3,000 個循環/ 3,500 小時），快速的動力學（≥20 C），高陽極比容量（高達 200-395 mAh·g^-1），以及對于多種 pH 值（ -1~15 ）的最高水平比能/能量密度（高達 76-92 Wh·kg-1/ 161-208 Wh·l-1），載流子種類（H⁺，Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg2⁺），溫度（-35~25℃）和氣體環境（含/不含氧氣）的幾個例子，這些優異特性使其成為任何水溶液電池技術通用的陽極方法。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4919）