《自然》《科学》一周(10.30-11.5)材料科学前沿要闻

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1. 自组装的三维手性胶体结构

Self-assembled three-dimensional chiral colloidal architecture

虽然立体化学自巴斯德以来一直是分子科学的重要焦点,但其领域此前一直被限制在纳米尺度。Zion 等人利用来自纳米排列的结构信息编程实现了微米级胶体簇的自组装。这是通过将 DNA 纳米技术与胶体科学相结合而完成的。利用 DNA 折纸技术的功能灵活性与胶体粒子的结构刚性相结合,Zion 等人展示了几何形状高度定制,包括对位置、二面角和簇手性可控的三维微结构平行自组装。(Science DOI: 10.1126/science.aan5404)

2. 双层石墨烯中偶分母分数的量子霍尔态

(Even-denominator fractional quantum Hall states in bilayer graphene)

双层石墨烯(BLG)的独特朗道能级谱预计能够支持非阿贝尔偶分母量子霍尔(FQH)态,与 GaAs 中首先鉴定的 5/2 态相似。但是,至今仍然难以表征该态的性质。Li 等人报告了对双栅 BLG 装置中的一个偶分母 FQH 稳定序列的输运测量。平行场测量证实了基态的自旋极化性质,与 Pfaffian/anti-Pfaffian 描述一致。偶分母态对填充分数和横向位移场的敏感性为可调性提供了新的机会。Li 等人的研究结果表明 BLG 可以作为一个平台,在这个平台中可以操控可能是由非阿贝尔激发的拓扑基态。(Science DOI: 10.1126/science.aao2521)

3. 单个金属层中的高速等离子体激元调制器

High-speed plasmonic modulator in a single metal layer

等离子体激元为克服电子学的速度限制和光子学的临界尺寸提供了一种可能的途径。Ayata 等人提出了一种全等离子体激元 116 吉比特每秒的电光调制器,其中所有的元件(垂直光栅耦合器、分离器、偏振旋转器和带有移相器的有源部分)都包含在单个金属层中。该装置可以在任何光滑的基板表面上实现,并以低能耗运行。研究结果表明,等离子体激元确实是一种可以应用于广泛的传感和通信领域中的超紧凑、最高速且低成本技术的可行途径,因为它兼容并且可以放置在大范围的各种材料上。(Science DOI: 10.1126/science.aan5953)

4. 利用飞秒激光重塑产生具有超窄表面等离子体共振的金纳米棒

(Femtosecond laser reshaping yields gold nanorods with ultranarrow surface plasmon resonances

利用飞秒激光对金纳米棒胶体进行照射,可以诱导调控纳米棒重塑,从而得到具有非常窄的局域表面等离子共振带的胶体。这个过程依赖于一个纵横比温和多步减小的区域,而这其中棒的形状和体积几乎不受影响。成功重塑只会发生在狭窄的散热率窗口内:低冷却速率导致剧烈的形态变化,而快速冷却则几乎不会产生影响。因此,必须在纳米棒的表面活性剂的表面密度与照射能量密度之间实现微妙的平衡。这个完美的过程十分具有吸引力,因为它提供了一个简单、快速、可重复、可扩展的方法,来实现光学响应接近理论极限的高品质金纳米棒。(Science DOI: 10.1126/science.aan8478)

5. 用自由电子激光器的非相干散射光进行量子成像

(Quantum imaging with incoherently scattered light from a free-electron laser)

加速器驱动的自由电子激光器(FEL)的出现为通过衍射方法测定高分辨率结构开辟了新的途径,这种方法远远超出了传统的 X 射线晶体学方法。这些技术依赖于相干散射过程,而该过程需要在整个成像过程中维持辐射场一阶相干性。Waldmann 等人表明,来自 FEL 的非相干散射 X 射线的强度相关性所显示出的高阶相干度,可用于以接近或甚至低于阿贝极限的空间分辨率对二维物体进行成像。这构成了基于非相干过程(包括荧光发射或波前畸变,通常认为这对成像应用是不利的)的结构测定的新方法。Waldmann 等人的方法是汉伯里•布朗和特维斯的强度相关性测量方法的延伸,并较之高出二阶,这为在相干成像方法具有内在局限性的状态下确定物质的结构和动力学铺平了道路。(Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4301)

6.应用于酸性环境的多金属氧酸水氧化盐电催化剂

(Polyoxometalate electrocatalysts based on earthabundant metals for efficient water oxidation in acidic media)

水分解是生产可再生燃料有效且低廉的很有前景的方式。但是,水氧化仍然是这一技术发展的瓶颈,因为这一技术很大程度上依赖于贵金属催化剂。尽管不太昂贵的过渡金属氧化物是很有竞争力的水氧化催化剂,但是它们只能应用于碱性环境,在酸性环境中由于容易产生氢气还是无法与贵金属相媲美。Blasco-Ahicart 等人报导了一种基于地壳丰量金属的水氧化催化剂,这种催化剂在酸性环境中表现出优异的电催化性能。具体来说,含有铯或钡抗衡阳离子的不溶多金属氧酸水氧化盐对于氧析出反应具有优异的电催化性能。尤其聚阴离子钴-多金属氧酸水氧化钡盐的催化性能在pH<1的酸性环境中比目前商用IrO2催化剂还要好,在1mA/cm2的电流密度时过电势仅189mV。另外,他们发现含有碳氢化合物的碳浆导电支撑物通过提供一个疏水的环境能够有效提高金属氧化物在酸性环境中的稳定性。(Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.2874)

7. 增材制造获得高强度高延展性多层级不锈钢

(Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility)

许多传统的提升钢强度的方法,通常以牺牲延展性为代价,被称为强度-延展性折衷的困境。新的冶金加工技术可能会提供克服这种困境的可能性。Wang 等人报告了通过激光粉末床熔合技术,利用增材制造得到的奥氏体 316L 不锈钢,表现出了超过传统 316L 钢的强度和拉伸延展性组合性能。高强度归因于可凝固化的多孔结构、小角度晶界和在制造过程中形成的位错,而高均匀延展性则归因于由长度尺度跨越近六个数量级的分层不均匀微结构调节的稳定和渐进的加工硬化机制。此外,沿着多孔壁和小角度晶界的溶质偏析可以增强位错钉扎并促进孪晶形成。这项工作展示了增材制造在创造具有独特的微观结构和高性能结构应用合金方向的潜力。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5021)

8.半导体合金纳米材料中的带隙调控

(Bandgap engineering in semiconductor alloy nanomaterials with widely tunable compositions)

在过去的十年中,通过合成不同的单个半导体来开发具有宽带隙的纳米级半导体材料方面取得了巨大的进步。这些材料主要包括 II-VI 和 III-V 族半导体及其合金材料,无机和复合钙钛矿材料,以及新兴的二维半导体材料等。这些材料的一个重要共同特征在于,纳米尺度确保了对具有不同组成的整体结构、或基底和靶材料之间的晶格失配具有很大的容忍度,从而可以实现对合金组成的任意调变。最终实现了这些合金的带隙可以被广泛地调谐,且不会有体相材料中通常无法避免的不利缺陷,可以避免不利缺陷对晶格失配容忍度的限制。这一类纳米材料可能会对包括可调谐激光器、固态照明、人造光合作用和新型太阳能电池在内的广泛的光子应用产生深远的影响。(Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2017.70)

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