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Nature&Science盤點(diǎn)：7月材料領(lǐng)域重大進(jìn)展

2019-08-02 09:23:40 作者：材料人整理來源：材料人分享至：

1. Science:“買一送一”的光氧化還原催化劑

相較于過渡金屬復(fù)合物以及有機(jī)染料，有機(jī)半導(dǎo)體材料因其獨(dú)特的價(jià)帶和導(dǎo)帶性質(zhì)而可以實(shí)現(xiàn)可控的氧化還原反應(yīng)。異質(zhì)半導(dǎo)體光催化劑吸收光能后，可以光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)并借此在同一基質(zhì)顆粒表面實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。與分子催化劑不同，這一穩(wěn)定的界面氧化和還原過程賦予半導(dǎo)體光催化劑控制氧化還原中間產(chǎn)物生成最終產(chǎn)物的能力，即根據(jù)可見光催化過程中不同的半導(dǎo)體反應(yīng)模式，來決定氧化和還原中間產(chǎn)物可以分別生成不同的最終產(chǎn)物還是參與生成同一最終產(chǎn)物。然而，目前普遍使用金屬硫化物作為半導(dǎo)體光催化劑，其在有機(jī)合成中展現(xiàn)出光腐蝕性的缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了對(duì)半導(dǎo)體光催化反應(yīng)模式的探索和應(yīng)用。

德國雷根斯堡大學(xué)的Burkhard K?nig以及馬克斯普朗克研究所的Markus Antonietti（共同通訊作者）等人報(bào)道以有機(jī)半導(dǎo)體介孔石墨相氮化碳（mpg-CN）作為異質(zhì)光氧化還原催化劑用于芳烴和雜環(huán)芳烴的同時(shí)功能化合成。mpg-CN具有無金屬成分，無毒性，易于合成的特點(diǎn)。在可見光激發(fā)下，mpg-CN的氧化還原窗口可以寬達(dá)2.7V，并且其電子能帶結(jié)構(gòu)可以通過納米化或者摻雜進(jìn)行調(diào)控。在多組分系統(tǒng)中，研究人員以mpg-CN作為可見光光氧化還原催化劑，將氧化和還原界面電子轉(zhuǎn)移結(jié)合起來，直接實(shí)現(xiàn)了對(duì)芳烴和雜環(huán)芳烴C-H功能化。研究人員還發(fā)現(xiàn)，mpg-CN催化劑對(duì)活性自由基和親核物質(zhì)都具有耐受性，通過對(duì)反應(yīng)混合物進(jìn)行簡單離心分離就能恢復(fù)催化劑的功能。因此，這項(xiàng)研究表明mpg-CN可以作為非毒性、廉價(jià)的可見光活化光催化劑來替代傳統(tǒng)的過渡金屬催化劑和有機(jī)染料。2019年07月26日，相關(guān)成果以題為“Organic semiconductor photocatalyst can bifunctionalize arenes and heteroarenes”的文章在線發(fā)表在Science上。

導(dǎo)讀鏈接：今日最新Science:“買一送一”的光氧化還原催化劑

文獻(xiàn)連接：

Organic semiconductor photocatalyst can bifunctionalize arenes and heteroarenes（Science, 2019, DOI: 10.1126/science. aaw3254）

2. Nature：鐵基超導(dǎo)體中的重大新發(fā)現(xiàn)！

當(dāng)電子配對(duì)形成Cooper對(duì)，然后建立相位相干性以凝聚成宏觀量子態(tài)即超流體時(shí)，出現(xiàn)超導(dǎo)性。Cooper配對(duì)由配對(duì)的結(jié)合能ΔCP控制，相位相干性（或剛度）控制超流體密度，nSF。對(duì)于常規(guī)超導(dǎo)體，如鋁或鉛，因?yàn)榫Ц癯?shù)遠(yuǎn)小于Cooper對(duì)的尺寸（通常為數(shù)百納米），超流體密度在空間上是均勻的，并且大的超流體密度保證了高相位剛度。在非常規(guī)的強(qiáng)相關(guān)超導(dǎo)體中，情況與傳統(tǒng)超導(dǎo)體的情況大不相同，原因如下：（i）Cooper對(duì)的大小通常較小，大致由相干長度給出；（ii）超流體密度較小；（iii）由于摻雜劑原子或相分離或電荷有序的內(nèi)在趨勢(shì)，存在較高的無序；（iv）超導(dǎo)間隙的變化跡象。盡管取得了很大進(jìn)展，但我們?nèi)狈?duì)強(qiáng)相關(guān)超導(dǎo)體的理論認(rèn)識(shí)。

今日，荷蘭萊頓大學(xué)的D. Cho1、 K. M. Bastiaans和 D. Chatzopoulos （共同第一作者）在 M. P. Allan教授（通訊作者）的指導(dǎo)下與美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的G. D. Gu合作，在頂級(jí)期刊Nature上發(fā)表了題為“A strongly inhomogeneous superfluid in an iron-based superconductor”的文章。本研究中作者們使用原子分辨的掃描隧道顯微鏡來揭示鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45中的強(qiáng)不均勻超流體。通過同時(shí)測(cè)量超導(dǎo)體的形貌和電子特性，我們發(fā)現(xiàn)超流體中的這種不均勻性不是由結(jié)構(gòu)紊亂或強(qiáng)大的袋間散射（inter-pocket scattering）引起的，并且與破壞電子對(duì)所需的能量變化無關(guān)。相反，我們?cè)诰植砍叨壬峡吹匠黧w密度與準(zhǔn)粒子強(qiáng)度（相干峰的高度）之間存在明顯的空間相關(guān)性。而之前在宏觀尺度上已觀察到類似的關(guān)系。我們的研究結(jié)果使鐵基超導(dǎo)體與氧化銅超導(dǎo)體處于同等的地位。

導(dǎo)讀鏈接：今日Nature：鐵基超導(dǎo)體中的重大新發(fā)現(xiàn)！

文獻(xiàn)連接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1408-8.（Nature, DOI: 10.1038/s41586-019-1408-8）

3.Science: 可重構(gòu)的鐵磁液滴

固體鐵磁材料的形狀是剛性的，不能進(jìn)行重構(gòu)。鐵磁流體雖然可重新配置，但在室溫下是順磁性的，并且當(dāng)施加的磁場(chǎng)被移除時(shí)會(huì)失去其磁化。在這里，作者們通過在水-油界面處組裝的單層磁性納米顆粒的干擾顯示出鐵磁流體液滴的可逆順磁-鐵磁轉(zhuǎn)變。這些鐵磁性液滴表現(xiàn)出有限的矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度。它們可以很容易地重新配置成不同的形狀，同時(shí)保留固體鐵磁體的磁性，具有經(jīng)典的南北偶極相互作用。它們的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以通過外部磁場(chǎng)遠(yuǎn)程和精確地驅(qū)動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了對(duì)活性物質(zhì)，能量耗散組件和可編程液體構(gòu)造的研究。

今日，北京化工大學(xué)以及加州大學(xué)伯克利分校的Xubo Liu（第一作者）在北京化工大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)、和日本東北大學(xué)的Thomas P. Russell教授（通訊作者）的指導(dǎo)下，在頂級(jí)期刊Science上發(fā)表了題為“Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets”的文章。在這里，作者們展示了一種簡單的方法通過MNP-表面活性劑的原位形成和界面堵塞來實(shí)現(xiàn)可逆順磁-鐵磁轉(zhuǎn)變。作者們將羧化直徑為22-nm的（Fe3O4-CO2H）MNP的水分散體浸入胺改性的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS-NH2）在甲苯中的溶液中。 POSS-NH2本身是表面活性劑，在界面處組裝并與MNP靜電相互作用，將明確數(shù)量的POSS-NH2錨定到MNP，將MNP轉(zhuǎn)化為MNP-表面活性劑。當(dāng)液滴形狀改變時(shí)，界面面積增加，并且在界面處形成并組裝另外的MNP-表面活性劑。液滴進(jìn)行自我重塑，以最小化界面面積，從而最小化系統(tǒng)的自由能。

導(dǎo)讀鏈接：北京化工大學(xué)今日Science: 可重構(gòu)的鐵磁液滴

文獻(xiàn)連接：https://science.sciencemag.org/content/365/6450/264/tab-pdf

4.Nature: 三層石墨烯摩爾超晶格中的可調(diào)超導(dǎo)性特征

理解高轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)性機(jī)制是凝聚態(tài)物理的中心問題。這種超導(dǎo)性被認(rèn)為會(huì)在以Hubbard模型描述的摻雜莫特絕緣體中出現(xiàn)。然而，由于莫特絕緣體中強(qiáng)電子-電子關(guān)聯(lián)的存在，對(duì)于研究Hubbard模型的精確解一直以來都是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。而通過調(diào)整Hubbard參數(shù)來理解異常超導(dǎo)性及其演化可以加深對(duì)Hubbard模型的理解。因此，尋找參數(shù)可調(diào)的Hubbard模型被認(rèn)為是進(jìn)一步研究Hubbard模型的有效方案。

近期，美國勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的王楓、復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波以及斯坦福大學(xué)的D. Goldhaber-Gordon（共同通訊作者）等人發(fā)表文章報(bào)道了在ABC-三層石墨烯（TLG）以及六方氮化硼（hBN）摩爾超晶格中發(fā)現(xiàn)可調(diào)超導(dǎo)性特征。與“魔角”雙層石墨烯（TBG）不同，理論計(jì)算顯示，在垂直位移場(chǎng)下，ABC-TLG/hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生三角超晶格，其具有與Hubbard模型關(guān)聯(lián)的獨(dú)立的微價(jià)帶（valence miniband）。而這種微價(jià)帶的帶寬可以根據(jù)垂直位移場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)控。因此你，研究人員通過施加垂直位移場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)ABC-TLG/hBN超晶格在20開爾文的溫度下表現(xiàn)出莫特絕緣態(tài)。進(jìn)一步冷卻操作發(fā)現(xiàn)，在1開爾文溫度以下出現(xiàn)了超導(dǎo)性特征（“domes”）。通過進(jìn)一步調(diào)控垂直位移場(chǎng)，研究人員還成功實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)體-莫特絕緣體-金屬相的轉(zhuǎn)變。這一成果表明，ABC-TLG/hBN作為一種模型系統(tǒng)，能夠?yàn)樯钊胩剿魅荋ubbard模型中出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)行為提供可能性。2019年07月17日，相關(guān)成果以題為“Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice”的文章在線發(fā)表在Nature上。

導(dǎo)讀鏈接：今日最新Nature: 三層石墨烯摩爾超晶格中的可調(diào)超導(dǎo)性特征

文獻(xiàn)連接：Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-019-1393-y）

5.Science:超分子籠捕捉陰離子

鹽類化合物在水中具有良好的溶解性是一個(gè)很常見的自然現(xiàn)象。這其中的部分原因是極化的O-H鍵可以吸引帶負(fù)電的氯離子。受此啟發(fā)，當(dāng)需要減緩或者消除離子過剩帶來的污染時(shí)，可以設(shè)計(jì)含有O-H鍵或者N-H鍵的分子受體來富集捕捉目標(biāo)離子。然而，對(duì)于尺寸較小的陰離子來說，其具有更加緊實(shí)的水化層和更高的水合自由能，需要更多的能量來靶向識(shí)別與捕捉。因此，設(shè)計(jì)對(duì)小尺寸陰離子如氯離子具有高度親和性和特異性捕捉能力的分子受體目前仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的研究美國印第安納大學(xué)的A. H. Flood（通訊作者）等人報(bào)道發(fā)現(xiàn)，與O-H鍵相比，充分極化的C-H鍵對(duì)氯離子具有更加優(yōu)異的捕捉能力。在該項(xiàng)研究中，研究人員利用CH給體設(shè)計(jì)了類穴狀配體（cryptand）的triazolo超分子籠。這一分子籠的空腔大小與Bowman-James的NH氫鍵結(jié)合的穴狀配體相同，而利用三唑取代酰胺又能約束化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)從而提高分子籠的剛性。這一triazolo超分子籠展現(xiàn)出芳香基單元與三唑單元的交錯(cuò)序列，其空腔大小能夠特異性的捕捉氯離子，通過CH與氯離子之間的氫鍵結(jié)合還能進(jìn)一步穩(wěn)定氯離子。利用這一超分子籠，通過液液提取的方式，水中的氯化物可以被高效提取到非極性的二氯甲烷溶劑中，其親和能力可以達(dá)到1017/M。該研究認(rèn)為，設(shè)計(jì)這一具有高親和力的分子受體能夠?yàn)楦咝崛∷新然锾峁┬碌乃悸泛筒呗浴?019年07月12日，相關(guān)成果以題為“Chloride capture using a C–H hydrogen-bonding cage”的文章在線發(fā)表在Science上。

導(dǎo)讀鏈接：今日最新Science:超分子籠捕捉陰離子

文獻(xiàn)連接：Chloride capture using a C–H hydrogen-bonding cage（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw5145）

6.Nature：鈣鈦礦太陽能電池的又一個(gè)里程牌

如今，基于金屬鹵化物-鈣鈦礦的太陽能電池是最有前景的光電技術(shù)之一。在過去幾年里，研究人員通過調(diào)整鈣鈦礦的組成、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)以及使用新的封裝技術(shù)，從而大幅度的提高了這些器件的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。然而，若是想進(jìn)一步提高其長期運(yùn)行的穩(wěn)定性，則還需要進(jìn)一步的改進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池。其中，在鈣鈦礦活性層中的離子遷移是最難調(diào)控的，特別是在光照和熱作用下。

今日，牛津大學(xué)的Henry J. Snaith、瑞典林雪平大學(xué)的高峰和Sai Bai（共同通訊作者）聯(lián)合報(bào)道了他們將離子液體加入到鈣鈦礦薄膜中，接著再加入到正負(fù)本征光電器件中，提高了器件效率，并顯著提高了器件的長期穩(wěn)定性。在70-75oC的模擬全光譜太陽光照射下，連續(xù)運(yùn)行超過1800 h后，最穩(wěn)定的封裝器件的性能僅下降了5%左右，并且評(píng)估器件下降到其峰值性能的80%，所需的時(shí)間約是5200 h。總之，該研究是在高強(qiáng)度條件下，研究長期運(yùn)行、穩(wěn)定的太陽能電池的代表，為人類向更高可靠性鈣鈦礦光電技術(shù)邁出了關(guān)鍵的一步。研究成果以題目為“Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations”（題目有誤，正確題目請(qǐng)見原文鏈接）發(fā)表在國際頂級(jí)期刊Nature上。

導(dǎo)讀鏈接：最新Nature報(bào)道：鈣鈦礦太陽能電池的又一個(gè)里程牌

文獻(xiàn)連接：Planar perovskite solar cells with long-term stability using ionic liquid additives （Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1357-2）

7.Science：通過調(diào)控錐面滑移使金屬M(fèi)g獲得高塑性

眾所周知，由于鎂是最輕的結(jié)構(gòu)金屬，使用金屬鎂可以有效的減輕合金重量而降低能源消耗，所以鎂合金其在汽車、飛機(jī)和航空航天等領(lǐng)域被廣泛的研究和使用。然而，鎂在室溫下具有有限的延展性，使其在型材和構(gòu)件的加工和成形方面變得困難和昂貴。因此，低的延展性成為阻礙鎂制品廣泛應(yīng)用的主要障礙之一。研究發(fā)現(xiàn)，金屬鎂的延展性與錐面?c+a?位錯(cuò)滑移密切相關(guān)。因此，要想獲得金屬鎂的高延展性應(yīng)通過形成更多?c+a?位錯(cuò)滑移來實(shí)現(xiàn)。然而，?c+a?位錯(cuò)滑移在本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，因此研究錐面?c+a?位錯(cuò)滑移對(duì)金屬鎂塑性的影響變得異常困難。

今日，西安交通大學(xué)的單智偉教授、重慶大學(xué)的聶建峰教授和美國內(nèi)華達(dá)州立大學(xué)的李斌教授（共同通訊作者）聯(lián)合報(bào)道了他們通過原位透射電鏡（TEM）力學(xué)測(cè)試證明，不同性質(zhì)的?c+a?位錯(cuò)可以通過在錐面上滑移來獲得更大的塑性。并且研究發(fā)現(xiàn)亞微米尺寸的鎂樣品比散裝樣品具有更高的塑性。此外，小晶體尺寸通常會(huì)帶來高應(yīng)力，從而激活金屬鎂中更多的?c+a?位錯(cuò)滑移以適應(yīng)塑性，進(jìn)而獲得高強(qiáng)度和良好的塑性。研究成果以題目為“Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations”發(fā)表在國際頂級(jí)期刊Science上。

導(dǎo)讀鏈接：國內(nèi)再增一篇Science：通過調(diào)控錐面滑移使金屬M(fèi)g獲得高塑性

文獻(xiàn)連接：Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations （Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw2843）

8.Nature: 通過單重態(tài)激子裂變敏化硅

硅材料可以說在目前決定著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。然而，當(dāng)吸收光子時(shí)，硅經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大于其帶隙的能量耗散。通過單重態(tài)激子裂變來敏化硅太陽能電池，從而可以減少熱損失并提高電池的工作能力。在這個(gè)過程中，單重態(tài)激子中具有更高能量的光激發(fā)態(tài)能夠裂變形成兩個(gè)三重態(tài)激子激發(fā)態(tài)。在分子半導(dǎo)體并苯化合物中，單重態(tài)激子裂變產(chǎn)生的三重態(tài)激子被認(rèn)為與硅帶隙非常相符。當(dāng)這些三重態(tài)激子轉(zhuǎn)移到硅中時(shí)，能夠產(chǎn)生額外的電子-空穴對(duì)，使得電池效率從29%提高到35%。然而，太陽能電池中的硅鈍化層能夠阻礙激子轉(zhuǎn)移的發(fā)生，使得電池效率無法進(jìn)一步提高。

近期，麻省理工學(xué)院的M. A. Baldo（通訊作者）等人報(bào)道了通過對(duì)硅太陽能電池表面的鉿氮氧化物保護(hù)層的厚度進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)三重態(tài)激子高效的能量轉(zhuǎn)移。該研究利用電場(chǎng)效應(yīng)鈍化，將鉿氮氧化物保護(hù)層的厚度減少到8埃的水平，并發(fā)現(xiàn)這種條件下并苯化合物中的裂變產(chǎn)出顯著提高，能量轉(zhuǎn)移效率也達(dá)到了133%。研究人員在鉿氮氧化物層觀察到了強(qiáng)鈍化效應(yīng)，并認(rèn)為該現(xiàn)象能夠緩解電子-空穴對(duì)的淬滅，并允許硅和并苯中的三重激發(fā)態(tài)進(jìn)行偶聯(lián)。研究人員認(rèn)為這項(xiàng)工作為發(fā)展了單重態(tài)激子裂變?cè)谔岣吖杼柲茈姵匦蕬?yīng)用中的潛力。2019年07月03日，相關(guān)成果以題為“Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene”的文章在線發(fā)表在Nature上。

導(dǎo)讀鏈接：今日最新Nature: 通過單重態(tài)激子裂變敏化硅

文獻(xiàn)連接：

Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly（3-hexylthiophene）， nature, 2019,DOI: 10.1038/s41586-019-1036-3）

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