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Nature& Science：8月材料領域科研成果匯總國內進賬3篇

2018-09-04 11:27:16 作者：本網整理來源：材料人分享至：

作為標桿科技發展前沿的Nature & Science頂刊，材料人們也萬萬不可放過啊！鑒于假期已結束，便容小編為你們簡單細數一下8月間榮登頂刊的材料大文。

1. Nature：Weyl聲子晶體表面波的拓撲負折射

Nature在線發表了武漢大學劉正猷教授、邱春印教授（共同通訊作者）團隊題為“Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal”的文章，報道了由Weyl聲子晶體所承載的拓撲表面波的負折射，這是最近發現的Weyl半金屬的聲學模擬物。發生這種拓撲負折射的界面是分離晶體不同側面的一維邊緣。通過剪裁Weyl聲子晶體的表面端部，可以設計表面聲波的恒定頻率輪廓，以在某些界面產生負折射，同時在同一樣品內的不同界面實現正折射。相比更為常見的表面波行為，由于恒定頻率輪廓的開放性，報道的晶體可以防止不必要的反射，這是Weyl晶體拓撲保護表面狀態的標志。

文獻鏈接：Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal（Nature，2018，DOI: 10.1038//s41586-018-0367-9）

2. Science：超四方薄膜通過相間應變實現巨大極化

北京科技大學的陳駿教授以及邢獻然教授（共同通訊作者）等人提出了新型“相間應變”的策略并以此在超四方性薄膜上實現了巨大極化。該研究發現利用晶格結構相似、晶格參數不同的兩種材料，在外延生長時晶界處的晶格參數是相互匹配的，從而可在材料間產生各向同性應變，即“相間應變”。利用這種“相間應變”策略，研究人員在PbTiO3外延復合鐵電薄膜上引入高負壓從而實現了巨大的極化性能，其剩余極化強度可達到236.3微庫倫/cm2，是現有已知鐵電體的2倍。此外，這種薄膜的超四方性相在725℃的高溫下依然穩定，而對應塊體的相轉變溫度卻只有490℃。

文獻鏈接：Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan2433）

3. Nature：基于織物的光通信的二極管纖維

麻省理工學院的Yoel Fink（通訊作者）團隊提出了一種可擴大生產的熱拉伸工藝（drawing process）用于制備電連接的二極管纖維。研究人員首先構建了離散的二極管預制品并將其內置到空腔邊緣，接著銅線或者鎢線可在空腔中進行連通操作（feed through），當這些預制件被加熱拉伸時，這些金屬導線就會逐漸靠近二極管直至形成電接觸，最終可將數以百計的二極管平行連接到單根纖維中。利用這一新型加工工藝制造的纖維及其織物可以實現具備優異數據傳輸能力的光學通訊，也為在纖維中引入電子器件提供了新的策略。

文獻鏈接：Diode fibres for fabric-based optical communications（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0390-x）

4. Nature：分子和材料科學的機器學習

北卡羅來納大學教堂山分校Olexandr Isayev教授和倫敦帝國理工學院Aron Walsh（共同通訊作者）總結了機器學習用于化學與材料領域的最新進展。文中概述了適用于解決該領域研究問題的機器學習技術，以及在該領域的未來發展方向。同時也設想了一個可以通過人工智能來加速分子和材料的設計、合成、表征和應用的前景。在這篇文章中，研究人員回顧了機器學習的基礎知識，確定了現有方法有望加速研究進程的領域，并且考慮了實現更廣泛的影響所需要的發展方向。

文獻連接：Machine learning for molecular and materials science（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0337-2）

5. Nature：鋰金屬電池固液界面和枝晶的低溫標測

康奈爾大學的Lena F. Kourkoutis（通訊作者）課題組采用冷凍電鏡技術觀察到了鋰金屬電池中界面膜和枝晶的納米級結構并以此全面深入地理解了發生在該界面的化學過程。該研究通過快速冷凍液體成分（玻璃化液體電解質），獲得了自然狀態下鋰金屬電池中的界面膜結構，之后再利用冷凍掃描透射電鏡技術（cryo-STEM）可對這些界面進行結構和化學圖譜（mapping）表征。實驗表征結果發現，在鋰金屬電池負極共存著兩種不同類型的枝狀物，其中一種擁有外延的SEI層，而另一種枝狀物則由鋰的氫化物組成，這一不同枝狀物的共存現象可能為電池容量減少的機理解釋提供有力的證據支持。該文也闡明了冷凍電鏡技術在探測功能器件界面過程的研究中具有潛在的應用價值。

文獻鏈接：Cryo-STEM mapping of solid–liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0397-3）

6. Nature：石墨烯納米帶的拓撲能帶工程

美國加州大學伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授（共通通訊作者）合作報道了拓撲工程修飾GNR超晶格的合理設計和實驗實現，從而產生了難以獲得的電子結構；此外，該策略還能將新的終態直接設計到一維GNR超晶格的末端。原子級精確的拓撲GNR超晶格由Au（111）表面上的分子前體在超高真空條件下合成，并通過低溫掃描隧道顯微鏡（STM）和光譜學得以表征。實驗結果和第一性原理計算表明，該GNR超晶格的邊界能帶結構（滿帶和空帶）完全由相鄰拓撲界面態之間的耦合所定義，這種非凡的一維拓撲相為基于電子拓撲學一維材料的能帶精確調控提供了一種途徑，同時其也是一種有前景的一維量子自旋物理學研究平臺。

文獻鏈接：Topological band engineering of grapheme nanoribbons（Nature，2018，DOI：10.1038/s41586-018-0376-8）

7. Science：鈰光催化選擇性功能化甲烷、乙烷和高級烷烴

上海科技大學左智偉研究員（通訊作者）團隊將配位體與金屬的電荷轉移（LMCT）催化應用于醇原料的直接活化，使得烷氧基自由基介導的環狀醇的骨架重排和通過氫原子轉移（HAT）的伯醇實現C-H官能化。利用吸收的光能通過瞬時配位的Ce（IV）-醇鹽的均裂促進靶向氧化，在溫和且操作簡單的條件下用廉價的鈰（III）鹽作為前驅光催化劑，實現了高催化效率（甲烷的轉化數高達2900，乙烷的轉化數為9700）和選擇性。配體-金屬電荷轉移激發產生于簡單醇生成的烷氧基，其反過來充當HAT催化劑。混合相氣/液反應適合于連續流動，使氣體原料在光催化轉化中得到有效利用。這種光催化平臺已經實現了甲烷和其他簡單烴的幾種直接轉化，包括胺化，烷基化和芳基化，并為原料烷烴的進一步官能化提供了可靠的機會。

文獻鏈接：Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat9750）

8. Science：在二維狄拉克費米子中電子-電子相互作用的機制

新加坡國立大學的S. Adam教授（通訊作者）團隊采用非微擾、精確數值的投射量子蒙特卡洛方法以可控的方式研究可觀測物理量的演化，研究發現，在由長程相互作用所控制的區域，費米速度的增強與微擾理論一致。相反地，在靠近由短程相互作用所控制的相變區域，研究人員發現費米速度會被抑制并且數值數據也會崩潰，而對于一條曲線上的長程和短程相互作用的比例也會產生不同的值。此外，研究人員通過重整化群方案將量子蒙特卡洛結論外推到與實驗相關的能量標度，所預測的可觀測量將取決于庫侖相互作用的短程和長程分量以及所觀測的能量標度（所有參數都可以在當前的實驗中進行調整）。

文獻連接：The role of electron-electron interactions in two-dimensional Dirac fermions（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aao2934）

9. Nature：磁疇圖案的磁電反轉

在蘇黎世聯邦理工學院M. Fiebig教授（通訊作者）團隊的帶領下，與瑞士保羅謝爾研究所、德國波恩大學、瑞典斯德哥爾摩大學、法國皮卡第大學、日本高能加速器研究機構、日本東京大學、俄羅斯卡爾波夫物理化學研究所、奧地利維也納工業大學和挪威科技大學合作，分別報告了磁電材料Co3TeO6和多鐵材料Mn2GeO4中的整個鐵磁和鐵電疇圖案的反轉。在這些材料中，施加的磁場分別反轉每個域的磁化或極化，但保留域圖案完整。Landau理論表明，這種類型的磁電反轉在具有復雜排序的材料中是通用的，其中一個有序參數保持域結構的記憶，而另一個設置其整體符號。域模式反轉只是多重鐵氧體（multiferroics）等系統中以前未被注意到的效應的一個例子，其中多個有序參數可用于組合。因此，探索這些效應可以將多鐵性推進到新的功能水平。

文獻鏈接：Magnetoelectric inversion of domain patterns（Nature, 2018, DOI：10.1038/s41586-018-0432-4）

10. Science：一種基于可逆四電子轉化為氧化鋰的高能量密度鋰氧電池

加拿大滑鐵盧大學的L. F. Nazar（通訊作者）課題組報道了一種可通過高度可逆的四電子氧化還原反應產生氧化鋰的新型鋰-氧電池。研究人員首先將操作溫度提高到150℃，在這一溫度上熱力學驅動力更傾向于形成氧化鋰而非過氧化鋰。而由鎳納米顆粒組成的非碳復合正極則能夠原位形成鋰鎳氧化物（LixNiO2），可以作為促使氧氧鍵可逆斷裂-形成的高效電催化劑。這使得電池在放電時可以產生高達11mAh/cm2的容量，而充電時氧氣又可以在低過電勢下進行反應。這一研究工作表明了鋰-氧電化學可以突破現有電解質和超氧產物等產生的限制，實現接近100%的庫倫效率。

文獻鏈接：A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aas9343）

11. 石墨烯量子點中相互作用驅動的量子霍爾婚禮蛋糕狀結構

美國國家標準與技術研究院的J. A. Stroscio（通訊作者）等人利用隧道測量技術成功地將環形石墨烯諧振器中空間約束和磁約束之間的相互影響可視化，并直接觀測到了電子相互作用的痕跡。石墨烯是一種表面暴露大量電子的二維材料，因此被認為是研究外加場中能級變化的理想材料。研究人員首先將石墨烯器件冷卻到絕對零度左右，以便創造量子點-小島作為人工原子，在強度為1特斯拉的磁場中，量子點中的電子堆積更加緊密，相互作用也被加強，最終這些電子將被以導電-絕緣同心環交替的形式進行重排。通過掃描隧道顯微鏡，不同電子能級的同心環圖像被堆放在一起最終實現婚禮蛋糕型結構。因此這一研究為極端條件下觀測和了解量子-相對物質的行為提供了有效的方法。

文獻鏈接：Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar2014）

12. Science：高性能鈣鈦礦/Cu（In,Ga）Se2單片串聯太陽能電池

加州大學洛杉磯分校的楊陽教授和Qifeng Han（共同通訊作者）等人通過改進疊層器件中的輸運頂電極（transport top eletrode）、ICL以及空穴傳輸層（HTL）等結構，在無需調整CIGS器件結構的情況下成功地對疊層太陽能電池進行了性能優化。在這一電池中，研究人員對CIGS表面進行了納米尺度的界面構建設計，并利用高度摻雜的PTAA作為子電池之間空穴傳輸層，以此來保留開路電壓和增強填充因子以及短路電流。再將半透明且帶隙寬度為1.59eV的鈣鈦礦和帶隙寬度為1.00eV的CIGS分別作為子電池，這一結構改進的疊層電池的能量轉化效率可以達到22.43%，并且工作500小時后的效率還能保持在初始效率88%左右。

文獻鏈接：High-performance perovskite/Cu（In,Ga）Se2 monolithic tandem solar cells（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat5055）

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責任編輯：韓鑫

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