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《自然》《科学》一周(9.18-9.24)材料科学前沿要闻

原标题:《自然》《科学》一周(9.18-9.24)材料科学前沿要闻

1. 将二维材料逐层组装成晶片级异质结构

(Layer-by-layer assembly of two-dimensional materials into wafer-scale heterostructures)

具有垂直构造的高性能半导体薄膜,其设计达到的原子尺度精度,为现代集成电路和新材料发现奠定了基础。逐层组装是实现这种薄膜的一种方法,其中原子厚度的二维构建块被垂直堆叠,并通过范德华相互作用结合在一起。通过这种方法,分别代表一个和三个原子厚度二维结构单元的石墨烯和过渡金属二硫属元素,被用于实现独特物理性质且以往无法实现的异质结构。然而,目前还没有能够在生成原始层间界面的同时保持这些二维构件固有特性的大规模组装方法,因而逐层组装方法被限制在了小规模验证演示中。Kang 等人报导了具有非常高水平空间均匀性和原始界面的晶片级半导体膜的生产。这些膜的垂直组成和性质,是在原子尺度上利用真空下二维结构单元的层叠组装而设计实现的。他们制造了几种大规模、高质量的异质结构膜和器件,包括具有逐层成型设计的超晶格膜,批量制造的电阻可调谐四个数量级的隧道器件阵列,以及能带工程异质结构隧道二极管,和毫米级超薄膜与窗口。堆叠的薄膜是可拆卸的、可悬挂的,并且与水或塑料表面兼容,这将使其能够与先进的光学和机械系统集成。(Nature DOI: 10.1038/nature23905)

2.超过 8×1018 eV 的宇宙射线到达方向中大尺度各向异性的观测

(Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV)

宇宙射线是由外部空间所来的自然界中观察到的最高能量的原子核。关于它们起源的线索主要通过研究其到达时方向的分布来得出。利用由皮埃尔•奥格天文台(Pierre Auger Observatory)记录下的总曝光量为 76,800 km2 sr yr 的能量高于 8×1018 电子伏特的 3×104 的宇宙射线,皮埃尔•奥格宇宙线观测站人员合作协同确定了宇宙射线到达方向各向异性的存在。检测出的各向异性超过 5.2σ的显著水平,可以由相对赤经 αd = 100±10 度且赤纬δd = -24+12 -23 度具有 6.5+13 -0.9 % 振幅的偶极子来描述。该方向表示了这些超高能粒子的河外星系起源。(Science DOI: 10.1126/science.aan4338)

3. 碳纳米孔中离子液体库仑有序的部分破坏

Partial breaking of the Coulombic ordering of ionic liquids confined in carbon nanopores

离子液体是由等量的正离子和负离子组成的。在体材料的情况下,由于库仑有序使这些液体中呈现电中性,其中交替电荷的离子壳形成在中心离子周围。对于它们在封闭结构中的了解尚不清楚。这阻碍了离子液体在技术应用中的广泛使用。Futamura 等人利用散射实验对其结构进行了广泛使用的离子液体(EMI-TFSI)被限制在纳米多孔碳内的情况进行了解析。结果表明,当孔隙只能容纳单层离子时,库仑有序降低。相反,由于在碳孔壁中的感应反向电位而形成等电荷的离子对。在存在外部电位的情况下,这种非库仑有序会进一步增强。这一发现为设计更好的电化学应用材料打开了大门。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4974)

4. 在纳米尺度上解析有机固体中的超快激子迁移

(Resolving ultrafast exciton migration in organic solids at the nanoscale

基于分子的光采集的有效性,依赖于激子到电荷转移位点的输运。然而,由于纳米尺度上迁移长度和衍射极限之间的不匹配,使得测量激子迁移一直很有挑战性。Penwell 等人没有使用块状基质淬火的方法,而是以亚衍射分辨率全光学定义了淬灭边界,从而表征了其天然的纳米和皮秒级的时空激子迁移。通过将受激辐射损耗显微镜转化为时间分辨超快速方法,测得了聚(2,5-二(己氧基)氰基对苯二亚甲基)共轭聚合物膜中 16 nm 的迁移长度。并结合蒙特卡罗激子跳跃模拟,表明了由于内在发色团能量紊乱与发色团不均匀展宽相当,这些膜中的迁移本质上是扩散的。该方法能够使得先前无法相互关联的本地材料结构与激子迁移特性实现关联,不仅适用于光伏发电或显示有机半导体,而且可用于解释光合作用中显示出的典型激子迁移。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4975)

5. 在阳离子缺陷的锐钛矿 TiO2 中可逆地插入镁离子和铝离子

(Reversible magnesium and aluminium ions insertion in cation-deficient anatase TiO2)

与单价锂离子或钠离子相反,多价离子如 Mg2+ 和 Al3+ 要实现可逆地插入电极材料中仍然是一个难以实现的目标。Koketsu 等人展示了一种新的策略来实现 Mg2+ 和 Al3+ 可逆地插入锐钛矿 TiO2,即,通过异丁基掺杂从而引入大量可用作插层位置的钛空位。他们通过广泛的实验和理论表征,展示了相比于纯 TiO2,多价离子优先插入钛空位能够获得更大的容量。该结果突出了使用缺陷化学开启已知材料电化学活性的可能性,为实际的多价电池材料的化学设计提供了新的策略。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4976)

6.可拉伸且防水的弹性体涂覆有机光伏装置

(Stretchable and waterproof elastomer-coated organic photovoltaics for washable electronic textile applications)

可纺织的光伏发电装置,作为持续的电源在可穿戴设备中发挥着关键性作用。相比于其它类型的能量收集器,可纺织的光伏发电可以利用布自身作为光伏发电平台来获得足够的电力(约为毫瓦),从而用于可穿戴设备。对于可纺织品的光伏发电技术很重要的特征有三个,即环境稳定性、足够的能量效率和机械稳定性。然而,由于衬底和超薄覆盖物的低阻气性,想要同时实现这三项仍然很困难。Jinno 等人报导了双面涂有弹性体的超柔性有机光伏,同时实现了在水中的拉伸性和稳定性,并保持了 7.9% 的高效率。双面涂层的器件在水中浸泡 120 分钟后效率仅下降 5.4%。此外,即使在水中 100 分钟并经历循环 20 次的 52% 机械压缩后,器件的效率仍能保持在初始值的 80%。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0001-3)

7. 自我复制材料中的指数生长和选择

(Exponential growth and selection in self-replicating materials from DNA origami rafts)

在选择压力下的自我复制和进化是生活中的固有现象,但很少有人工系统表现出这些现象。He 等人设计了一个 DNA 折叠筏系统,以指数方式复制源图案,在每个类似昼夜的温度和紫外线照射周期中能够将副本加倍,在 24 个周期内能够产生超过 700 万份拷贝。又通过在两个亚群中引入对 pH 敏感的结合来展示增长种群中的环境选择。在第一个物种中,pH 敏感的三重 DNA 键可实现亲-子模板的形成,而在第二种物种中,三重结合抑制了双链 DNA 模板的形成。在 pH 5.3 时,物种 I 的复制速率比物种 II 的快 1.3-1.4 倍。在 pH 7.8 时,复制速率则相反。当混合一个小瓶中时,物种 I 的后代优先在 pH 7.8 下复制;类似的在 pH 5.3 时,物种 II 的后代接管系统。这种可寻址的选择性应该能够适用于纳米级至微观尺寸范围内的多组分自复制材料的选择和演变。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4986)

8.对全球水电技术和经济潜力的高分辨率评估

(High-resolution assessment of global technical and economic hydropower potential)

水电是迄今为止最重要的可再生能源,在全球可再生能源中占 72% 以上。然而,只有有限的信息,可以用于水电的全球潜在供应及相关成本。Gernaat 等人提供了一个高分辨率的评估水电在接近全球范围内的技术和经济潜力的图表。利用 15”×15” 的放电和 3”×3”的数字地形高度图,在全球 380 万个站点上建造了虚拟水电站,并通过成本优化方法计算了其潜力。通过这种方式,确定了超过 6 万个合适的站点,这些站点共同表现出仅存的全球潜力为 9.49 PWh yr-1,成本低于 US$ 0.50 kWh-1。剩下的最大潜力地区是亚太地区(39%),南美洲(25%)和非洲(24%),其中很大一部分可以低成本生产(< US$ 0.10 kWh-1)。在生态安全的情景下,这一潜力下降至 5.67 PWh yr-1。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0006-y)

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