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2017年終盤點: 中國學者Nature和Science成果！

2017-12-25 10:09:07 作者：本網整理來源：材料人分享至：

新的一年將至，材料牛為您精選2017年以來材料領域中，中國學者（通訊單位為國內機構）發表在頂級期刊Nature上的優秀工作。

這是對2017年的一個總結，也是對新一年的勉勵！

1、北大張錦：精致設計的催化劑助力單壁碳納米管可控手性生長

北京大學張錦教授（通訊作者）在Nature上發表了一篇題為“Arrays of horizontal carbon nanotubes of controlled chirality grown using designed catalysts”的文章，文中報道了張錦教授研究團隊關于單壁碳納米管（SWNTs）生長的最新研究成果。該研究團隊通過控制活性催化劑表面對稱性來控制水平SWNT陣列的手性，并在固態碳化物催化劑表面生長獲得了具有受控手性的水平SWNT陣列。所獲得的水平排列金屬SWNT陣列平均密度大于20管/微米，其中90%的管具有(12,6)的手性指數。同時，還獲得SWNT陣列半導體，其平均密度大于10管/微米，其中80%的納米管具有(8,4)的手性指數。

文獻鏈接：Arrays of horizontal carbon nanotubes of controlled chirality grown using designed catalysts（Nature，2017，DOI：10.1038/nature21051）

2、北大馬丁：首次利用Pt/α-MoC催化劑實現低溫甲醇/水反應產氫

北京大學馬丁與中國科學院大學周武、山西煤化所/中科合成油溫曉東以及大連理工大學石川研究團隊于Nature上發表一篇題為“Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts”的文章。該科研團隊研制了雙功能Pt/MoC甲醇液相重整制氫復合催化劑體系，利用程序升溫滲碳工藝將甲烷和氫氣同各種前驅體混合在一起，制成多種鉑改性的碳化鉬催化劑。經過材料的表征分析發現，與β-Mo₂C相比，α-MoC和鉑的相互作用更加強烈，使得高溫活化過程中鉑在α-MoC表面處于一種原子級分散態，產生一個極高密度的電子-缺陷表面Pt位點，且該位點能用于吸附/活化甲醇。同時，α-MoC表現出極高的水解離活性，在反應過程中產生豐富的表面羥基，加速鉑與α-MoC界面處反應中間體的重整。在這些因素的共同作用下，最終所制成的Pt/α-MoC催化劑具有平均轉化頻率(ATOF)為18046 h^-1的催化效率，在低溫(150 ℃-190 ℃)無堿甲醇液相重整過程中也具有很好的穩定性。

文獻鏈接：Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts（Nature，2017，DOI：10.1038/nature21672）

3、香港城市大學呂堅：雙相納米結構鑄就史上最強鎂合金

法國國家科技科學院院士、香港城市大學副校長呂堅（通訊作者）研究團隊于Nature上發表一篇題為“Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys”的文章。該科研團隊研制了雙相納米晶結構的鎂合金材料，通過磁控濺射法將直徑約6 nm的MgCu₂晶粒均勻地嵌入約2 nm厚的富含鎂的無定形殼中，生產獲得具有非晶/納米晶雙相結構的鎂基超納尺寸雙相玻璃晶（SNDP-GC）。該雙相材料結合并加強了納米晶材料與非晶納米材料的優勢，在室溫下表現出接近理想的強度，并且解決了樣品尺寸效應問題。研究團隊所制成的鎂合金體系是由埋在無定型玻璃殼中的納米晶核組成，所得雙相材料的強度是近乎理想的3.3 GPa，這也是迄今為止強度最大的鎂合金薄膜。同時，研究者提出了一種由本構模型組成的強度增強機制，在材料制備過程中形成了一個由直徑約6 nm且幾乎無位錯的晶粒組成的結晶相，當應變發生時該結晶相阻止了局部剪切帶的移動傳播，在任何已出現的剪切帶內，嵌入的晶粒分裂和旋轉，也有利于材料強化和抵抗剪切帶的軟化效果。

文獻鏈接：Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys（Nature，2017，DOI：10.1038/nature21691）

4、北科大呂昭平：最低晶格錯配與高密度納米析出相聯手打造超強鋼！

N5-4

北京科技大學呂昭平教授課題組于Nature上發表一篇題為“Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation”的文章，通過創新超高強度鋼的合金設計理念，發展了超強韌的高密度有序Ni(Al, Fe)納米顆粒強化高性能新型馬氏體時效鋼，其中抗拉強度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8% 。新型超高強韌鋼的強化主要是基于最低錯配度下獲得最大程度彌散析出和高剪切應力的創新思想，即一方面通過“點陣錯配度最小化”，顯著降低金屬間化合物顆粒析出的形核勢壘，促進顆粒均勻彌散分布，并顯著提高強化顆粒的體積密度和熱穩定性，低錯配度共格界面結合小尺度有效緩解增強顆粒周邊微觀彈性畸變，改善材料宏觀均勻塑性變形能力；另一方面，引入“有序效應”作為主要強化機制，有效阻礙位錯對增強相顆粒的切過作用，從而獲得優異綜合性能的新型馬氏體時效鋼。除此之外，新型超強韌馬氏體時效鋼通過采用Al元素代替傳統馬氏體時效鋼中昂貴的合金元素，可添加傳統馬氏體時效鋼所避免的C元素，初步實現了高端鋼鐵材料的制備工藝簡化和低成本的目標，不但有力地推動該類材料的實際工程應用，同時為新型超高強度材料的發展打開了新的研究思路

文獻鏈接：Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22032）

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5、清華大學于浦&吳健：首次實現電場誘導下的雙離子調控可逆結構三相相變

N5-5

清華大學于浦副教授和吳健教授（共同通訊作者）于Nature上發表了題為“Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch”的研究論文，首次報道了在電場下，雙離子調控的可逆且非易失性的結構相變。通過控制O²⁺和H⁺離子相互獨立的嵌入和脫出，可實現在三個不同材料相間的可逆轉變：鈣鈦礦型的SrCoO_3-_δ、鈣鐵石型的SrCoO_2.5和新結構的HSrCoO_2.5。研究這三種不同相的光學吸收性質，發現通過選擇性的控制可見光和紅外光的透過率，可產生雙頻段的電致變色效應，從而可應用于智能玻璃中。同時，三種相相互截然不同的電和磁特性使得能實現電場調控的磁性轉變。這為電場調控材料結構相轉變和相應的性能打開新的研究途徑。同期，美國普渡大學的Shriram Ramanathan教授為該成果撰寫了題為“Condensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch”的新聞評述（Nature，2017，DOI：10.1038/546040a）。

文獻鏈接：Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22389）

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清華大學于浦團隊Nature：在電場誘導下的雙離子調控可逆結構相變研究中取得突破性進展

6、中科院物理所：首次觀測到三重簡并費米子

N5-6

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）的丁洪研究員、錢天副研究員和石友國研究員（共同通訊作者）在Nature上發表了題為“Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide”的文章。并列第一作者為中科院物理所博士生呂佰晴（實驗觀測）、馮子力（樣品制備）、許秋楠（理論計算）。該團隊取得了凝聚態物理領域的重大突破，利用角分辨光電子能譜（ARPES）在拓撲半金屬磷化鉬材料中觀察到了一種非常規的三重簡并費米子，打破了傳統的Dirac-Weyl-Majorana分類和進行核心級別的光電子測量，以確認MoP的化學成分及電子結構，在（100）和（001）表面上進行系統的ARPES測量。相比之下，使用軟X射線獲得的數據清楚地表現出兩個切割表面上的帶分散和費米面。不僅大大提高了ARPES測量的體積靈敏度，而且還增加了垂直于表面的內在動量分辨率，促進MoP等三維系統的電子結構的提取。

文獻鏈接：Observation of three-componen fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22390）

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7、上海交大王宇杰：顆粒材料流變行為類同于復雜流體

N5-7

上海交通大學王宇杰教授和蒙彼利埃大學Walter Kob（共同通訊作者）等人利用X射線斷層攝影成像技術對準靜態循環剪切的三維顆粒系統的微觀動力學進行研究，證實了顆粒的微尺度弛豫動力學遵從一個振蕩剪切的規律，發現顆粒的分布和位移可由Gumbel定律描述，導致一般意義上認為的顆粒固體，其實是一種處在液固邊界的臨界相，在外部微擾下就會流化，更類似于復雜流體。

文獻鏈接：Granular materials flow like complex fluids（Nature，2017，Doi:10.1038/nature24062）

8、中科院應用物理所&上海大學&南京工業大學：氧化石墨烯膜通過陽離子控制層間距實現離子篩分

N5-8

中國科學院上海應用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大學吳明紅團隊、南京工業大學金萬勤團隊（共同通訊）等人使用K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Li⁺或Mg²⁺離子顯示了利用陽離子控制層間距精確訂裝氧化石墨烯膜，表現出優異的離子篩分和海水淡化性能。此外，由一種類型陽離子控制的膜間距可以有效地選擇性地排除具有較大水合體積的其它陽離子。第一性原理計算和紫外吸收光譜表明，最穩定的陽離子吸附位置是氧化物基團和芳環共存的地方。密度泛函理論計算表明，與Na⁺相比，其他陽離子應該具有比石墨烯片更強的陽離子-π相互作用。

文獻鏈接：Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing（Nature，2017，DOI:doi:10.1038/nature24044）

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9、中科院金屬所盧磊：與疲勞歷史無關的納米孿晶金屬循環響應

N5-9

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧磊研究員和美國布朗大學高華健教授（共同通訊）等人通過在低于金屬拉伸強度的應力幅值下的原子模擬和拉-壓變幅應變控制疲勞實驗，報道了含有高度取向的納米孿晶塊體純銅樣品中與疲勞歷史無關的穩定循環響應。實驗證明這種不尋常的循環行為是由相鄰的“項鏈”位錯引起的，這種錯位由孿晶中多個短的位錯構成，如項鏈的連接。這種位錯在循環載荷作用下在高度取向的納米孿晶結構中形成，并且有助于保持雙邊界的穩定性和可逆損傷，條件是納米孿晶在加載軸線的約15度內傾斜。這種循環變形機制與單晶，粗粒，超細晶粒和納米金屬晶粒中不可逆顯微結構損傷相關的常規變形機制是截然不同的。

文獻鏈接：History-independent cyclic response of nanotwinned metals（Nature，2017，DOI:10.1038/nature24266 ）

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10、上海交大韓禮元&楊旭東: 無溶劑非真空制備大面積鈣鈦礦太陽能電池薄膜

N5-10

上海交通大學韓禮元教授和楊旭東特別研究員（共同通訊）等人研發出一種無溶劑、非真空的新沉積方案用于甲基銨鹵化鉛鈣鈦礦薄膜的大規模制備。它依賴于胺絡合物前體到鈣鈦礦膜的快速轉化，并隨后施加壓力。使用這種方式沉積的鈣鈦礦薄膜沒有針孔而且高度均勻。更重要的是，新的沉積方法可以在低溫環境中進行，更有利于大面積鈣鈦礦裝置的制造。

文獻鏈接：A solvent- and vacuum-free route to large-area perovskite films for efficient solar modules（Nature，2017，DOI:10.1038/nature23877 ）

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11、武漢理工張清杰：超順磁增強材料熱電性能！

N5-11

武漢理工大學張清杰教授和華盛頓大學楊繼輝教授（共同通訊作者）等人報道通過將軟磁性材料嵌入熱電材料基底中，實現對聲子和電子傳輸特性的雙向調控。納米顆粒的性質，尤其是超順磁性（納米顆粒可在外加磁場下猶如順磁體可被磁化）導致了三種熱電磁效應：電荷從磁性嵌入物傳輸至基底；通過超順磁波動實現電子的多重散射；磁波動和自身的納米結構增加了聲子散射。研究表明這些效應可在納米和介觀尺度上有效調控電子和聲子傳輸，從而提高納米復合物的熱電性。

文獻鏈接：Superparamagnetic enhancement of thermoelectric performance（Nature，2017，Doi: 10.1038/nature23667）

材料牛資訊詳戳：張清杰&楊繼輝Nature：超順磁增強材料熱電性能！

12、南京理工大學陸明&王鵬程：系列水合五唑金屬鹽含能化合物的合成

N5-12

南京理工大學陸明教授和王鵬程副教授（共同通訊作者）報道了全氮五唑陰離子的鈉、錳、鐵、鈷和鎂鹽水合五唑金屬鹽含能化合物（[Na(H₂O)(N₅)]·2H2O, [M(H₂O)₄(N₅)₂]·4H₂O (M = Mn, Fe and Co) 和[Mg(H₂O)₆(N₅)₂]·4H₂O）的合成及表征，揭示了其中N₅^-陰離子與金屬陽離子的配位方式、與水的氫鍵作用，以及熱穩定性規律。除了Co化合物以外，其他含能化合物都表現出很好的熱穩定性，初始分解溫度均高于100℃，這為進一步開發高氮含能材料提供了實驗依據。