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《自然》《科学》一周(9.11-9.17)材料科学前沿要闻

原标题:《自然》《科学》一周(9.11-9.17)材料科学前沿要闻

1. 软 X 射线激子学

(Soft x-ray excitonics)

激子在固体中的动态响应是现代凝聚相物理、材料科学和光子技术的核心。然而,迄今为止的研究和控制仅限于光子能低于基本带隙的情况。Moulet 等人报告了应用阿秒软 X 射线和阿秒光脉冲来研究二氧化硅(SiO2)中 Si 的 L2,3 边缘处的核-激子的动力学。这种阿秒 X 射线近边吸收谱(AXANES)技术可以直接探测激子的准粒子特征,跟踪其亚飞秒弛豫,测量激子极化率和观测暗核-激子态。能够对固体中核-激子进行直接测量和控制,这为 X 射线激子学基础打下了基础。(Science DOI: 10.1126/science.aan4737)

2.生物制造可调控性质的纤维素纤维

(Biological fabrication of cellulose fibers with tailored properties)

对于可穿戴智能纺织品来说,棉是很有前景的基础成分。当前依赖于纤维涂层的方法在穿戴期间会发生功能损失。Natalio 等人提出了一种方法,能够允许外源分子以生物掺入的形式加入棉纤维,从而调整材料的功能。将陆地棉(Gossypium hirsutum)的体外模型培养物与 6-羧基荧光素-葡萄糖和镝-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸-葡萄糖一起培养,其中的葡萄糖部分作为能够从管状联结传播到胚珠表皮最外细胞层的载体,适合掺入纤维素纤维中。这样就能够产生具有非自然性质的纤维,例如具有荧光或磁性。将生物系统与适当的分子设计相结合,这提供了发展功能性复合材料并实现物料种植概念的多种可能性。(Science DOI: 10.1126/science.aaf7447)

3. 静电驱动的高效电热冷却

Highly efficient electrocaloric cooling with electrostatic actuation

固态制冷相比传统的冷却系统具有潜在的优势,但很少有设备可以提供具有高制冷系数(COP)的高冷却功率。Ma 等人利用柔性电热(EC)聚合物膜和静电致动机制,开发了一种具有高固有热力学效率的冷却装置。可逆静电力降低了寄生功率消耗,并使得能够通过与热源或散热器的良好热接触来进行有效的热传递。EC 器件产生的功率为 2.8W/g,COP 为 13。新的冷却装置比现有的表面贴装固态冷却技术更加高效和紧凑,为各种实际应用中使用该技术开辟了途径。(Science DOI: 10.1126/science.aan5980)

4. 可填充微粒和其它复杂 3D 微结构的制备

(Fabrication of fillable microparticles and other complex 3D microstructures

如今,通过微加工和添加剂制造产生的三维(3D)微结构已经证明了其在生物医药到微电子等许多领域中的价值。但是,用于创造这些器件的技术,在分辨率、材料兼容性以及决定可形成的微结构类型的几何约束方面各自具有它们自己的特征优点和限制。McHugh 等人描述了一种称为聚合物层组装 StampEd(SEAL)的微加工方法,并造出了使用传统 3D 印刷无法产生的可注射脉动药物递送微粒、pH 传感器和 3D 微流体装置。SEAL 允许以高分辨率生成具有复杂几何形状的微结构,产生包含固体或液体的完全封闭的内腔,并有可能使用任何不含加工添加剂的热塑性材料。(Science DOI: 10.1126/science.aan5830)

5. 可电调谐的纳米等离子液体镜面

(Electrotunable nanoplasmonic liquid mirror)

设计和开发用于从新型传感器到超级透镜等应用所需的完全可调谐的超材料一直被强大的驱动力推动着。虽然已经取得一定进展,但实时调谐以及调制光学性能仍然是一个挑战。Montelongo 等人首次实现了基于两个不混溶电解质溶液界面处 16nm 等离激元纳米粒子的电压控制自组装/拆解的可逆可电调谐液体镜。他们展示了其光学性质如反射率和吸收带光谱位置,可以在 ±0.5V 内原位变化。观察结果与理论计算极为一致,与平均颗粒间距的变化相对应。这种电化学完全可调谐的纳米等离子体平台可以从高度反射的“镜子”切换到透射“窗口”并再次转换回去。这项研究为未来的微/纳米级电化学电池开辟了实现这种平台的途径,从而能够创造可调谐等离子体激元超材料。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4969)

6.对自旋能斯特效应的观测

(Observation of the spin Nernst effect)

对自旋霍尔效应的观测引发了对纯自旋电流传输的深入研究。随着自旋霍尔效应,自旋塞贝克效应和自旋珀耳帖效应都已经被观测到,纯自旋电流传输的画面基本完成了。唯一缺少的一部分是自旋能斯特(-Ettingshausen)效应,迄今为止仅以理论为依据对其进行了讨论。Meyer 等人报导了对自旋能斯特效应的观测。他们通过应用纵向温度梯度,在 Pt 薄膜中生成了纯横向自旋电流。为了读出数据,利用与磁化方向依赖的自旋转移到相邻的钇铁石榴石层中,将 Pt 中的自旋能斯特电流转换成纵向和横向热电压的受控变化。该实验表明,Pt 的自旋能斯特和自旋霍尔效应的大小具有可比性,但符号上有所不同,正如第一性原理计算所证明的那样。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4964)

7. NbFe2 中的三重量子临界点

(Quantum tricritical points in NbFe2)

当二阶相变被抑制到零温度时,会出现量子临界点(QCP)。在金属中,这种 QCP 的量子涨落可以产生新的含有非常规超导性的相。虽然对于反铁磁 QCP 已经有相当详细的研究了,但相较而言想要达成铁磁(FM)QCP 要更难的多。在几乎所有的金属中,通过改变一阶转换或通过中间的密度波(SDW)相来避免FM QCP。Friedemann 等人研究了第二种情况的典型,即 NbFe2,证明了相图可以使用二阶参数理论进行建模,其中将推定的 FM QCP 埋藏在 SDW 相中。他们确定了三重量子临界点(QTCP)的存在,在该临界点均匀和有限的波矢是敏感且发散的。该模型的普遍性表明,这种 QTCP 自然发生于 SDW 和 FM 序列之间的相互作用,并且通常存在于这种类型的埋藏 FM QCP 附近。这一研究结果使 NbFe2 成为展示 QTCP 的第一个例子,QTCP 已经作为一系列窄带金属的关键概念被提出,包括卓越的重费米子化合物 YbRh2Si2。(Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4242)

8.基于等离子体增强型微机械光开关的零功率红外数字化器件

(Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches)

目前最先进的传感器都是利用有源电子器件来检测和识别光、声音、振动和其它信号。但即使没有检测到相关数据,这些有源器件也会不间断耗电,这就限制了它们的使用寿命,并使得部署和维护无人看管传感器网络的成本变得非常高昂。Qian 等人对此提出了能够从根本上打破这一范式的设备概念,即传感器保持休眠状态,接近零功耗,直到被与感兴趣的事件相关的特定物理迹象唤醒。他们还展示了红外数字化传感器,该传感器由等离子体增强的微机械光开关(PMP)组成,它会选择性地收集设计规定所关心的光谱带中的入射电磁能,从而在不需要任何额外的电源的情况下,利用该电磁能在两个电触点之间机械地产生导电通道。当这种零功率数字化传感器原型器件暴露于强度超功率阈值(约 500nW)的特定窄光谱带(处于中红外,带宽约 900nm)红外辐射中时,便能够产生数字化输出位(即,当暴露于红外线时,会产生巨大且急剧的关-开状态转换,具有大于 1012 的开关电导率和大于 9 dec nW-1 的亚阈斜率)。而这对于其它任何现有的光开关技术来说都是无法实现的。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.147)

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