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《自然》《科学》一周(6.11-6.17)材料科学前沿要闻

原标题:《自然》《科学》一周(6.11-6.17)材料科学前沿要闻

1. 用于无束缚快速转变软材料的铁磁畴印刷

(Printing ferromagneticdomains for untethered fast-transforming soft materials)

材料名称:磁响应软材料

研究团队:麻省理工学院 Shawn A. Chester 和Xuanhe Zhao研究组

能够对诸如光、热、溶剂、电场和磁场之类的刺激产生响应并在三维(3D)形状之间转变的软材料已经在多个领域有所应用了,例如柔性电子学、软体机器人学和生物医学。特别是磁场,为生物医学应用提供了安全有效的操作方法,使得通常能够在封闭和有限的空间内进行远程驱动。随着磁场控制的进步,柔性磁响应材料也从嵌入分立磁体或将磁性颗粒加入到软化合物中从而在聚合物片材中产生非均匀磁化分布的情况得到了发展和进步。Zhao 等人报告了软材料中编程化铁磁畴的 3D 打印,这促成了通过磁驱动实现复杂3D 形状之间的快速转变。这一方法基于含有铁磁性微粒的弹性体复合材料的直接印刷。通过在印刷时向分配喷嘴施加磁场,并沿着施加的场对粒子进行重新定向,从而为印刷的细丝赋予图案化的磁极性。这种方法使得能够在复杂的3D 打印软材料中对铁磁畴进行编程,从而实现一系列先前无法获得的转变模式,例如对具有负泊松比的机械超材料的远程控制拉胀。带有编程铁磁畴的印刷软材料的驱动速度和功率密度比现有的3D 印刷活性材料大出了多个数量级。Zhao 等人还进一步展示了复杂形状变化所衍生出的多种功能,包括可重新配置的软电子设备,可以跳跃的机械超材料以及爬行、滚动、捕捉快速移动物体并传输药物剂量的软机器人。(Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0185-0)

2. 自旋过滤性范德瓦尔斯异质结构中的巨隧穿磁阻

(Gianttunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures)

材料名称:三碘化铬(CrI3)

研究团队:美国华盛顿大学徐晓东研究组

运用磁阻的磁性多层器件是磁感应和数据存储技术的主要部分。Xu 等人报告了基于范德华(vdW)异质结构的多自旋过滤性磁隧道结(sf-MTJs),其中原子级厚度的三碘化铬(CrI3)充当夹在石墨烯之间的自旋过滤隧穿势垒。并展示了隧穿磁阻随着CrI3层厚度的增加而急剧增加,在低温下利用四层 sf-MTJs的磁性多层结构达到了创纪录的 19000%。Xu 等人利用磁圆二色性测量,将这些影响归因于原子级CrI3 的本征逐层反铁磁有序性。这一研究工作揭示了推动磁信息存储达到原子级厚度极限的可能性,并强调了将CrI3 作为 vdW 异质结自旋电子器件具有的高磁隧穿势垒。(Science DOI: 10.1126/science.aar4851)

3. 具有 25.2% 功率转换效率的全纹理化单片钙钛矿/硅串联太阳能电池

(Fully textured monolithic perovskite/silicon tandemsolar cells with 25.2% power conversion efficiency)

材料名称:钙钛矿/硅串联太阳能电池

研究团队:洛桑联邦理工学院 QuentinJeangros 研究组

结合了钙钛矿和硅太阳能电池的串联器件,有望以合理的成本实现30% 以上功率转换效率。迄今为止最先进的单片双端钙钛矿/硅串联器件,是以硅为底部并将其正面抛光从而与钙钛矿制造工艺兼容。这一让步导致了更高的潜在生产成本、更高的反射损失并使得光捕获情况变得不理想。为了解决这个问题,Jeangros 等人开发了一种顶部电池沉积工艺,可以直接在单晶硅微米尺寸金字塔纹理上实现具有可受控光电特性的多种化合物的共形生长。具有硅异质结电池和纳米晶硅重组结的串联器件表现出了经认证的25.2% 的稳态效率。Jeangros 等人的这一光学设计产生了19.5 mA·cm-2 的电流密度(这要归功于硅的金字塔结构),并为实现30% 单片钙钛矿/硅串联器件提供了一条途径。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0115-4)

4. 镧和铝掺杂实现锂离子电池中LiCoO2电极的容量极限

(Approachingthe capacity limit of lithium cobalt oxide in lithium ion batteries vialanthanum and aluminium doping)

材料名称:镧和铝掺杂LiCoO2电极

研究团队:美国阿贡国家实验室和中国华为公司研究团队

LiCoO2具有很高的理论比容量(274 mAh/g),然而,基于LiCoO2的电极电压相对于Li/Li+超过4.35V时容易引起结构不稳定和严重的容量衰减。因此,商业化额liCoO2表现出最大容量仅有165 mAh/g左右。Liu等人发展了一种掺杂技术能够解决这一长期循环不稳定的问题,并且能够增加LiCoO2的容量。La和Al共同掺杂在LiCoO2的晶格中,其中La作为支柱增加c轴的间距,而Al作为正电荷中心促进Li+的迁移,即使在4.5V的截止电压也能够稳定结构和抑制循环过程中相变。这种掺杂的LiCoO2电极表现出极高的容量(190 mAh/g),保持96%的容量能够稳定循环50圈,而且能够提高材料的倍率性能。(Nature Energy, DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-018-0180-6)

5. 单金属位点催化剂联通均相催化和异相催化

(Bridginghomogeneous and heterogeneous catalysis by heterogeneous single-metal-site catalysts)

材料名称:异相单金属催化位点催化剂

研究团队:德国罗斯托克大学 Matthias Beller研究组

在异相单金属催化位点催化剂(HSMSCs)中,活性金属中心单独位于载体,并且被邻近的表面原子如N、O或S等稳定住。现代表征技术能够确定给定载体上的这些单金属原子,并且这些材料通常被称为单原子催化剂。它们的电子特性和催化活性能够通过中心原子和邻近表面原子的相互作用进行调节。它们的原子分散特性使金属的利用率达到100%。这样,HSMSCs能够提为催化提供新的机会,并且结构上能够在均相催化和异相催化之间架起一座桥梁。Cui等人总结了这一领域自2010年以来发表的文章,并且对于未来的发展提出了他们的观点。在恰当的地方,HSMSCs与均相/异相催化剂之间也进行了对比。(Nature Catalysis DOI:https://doi.org/10.1038/s41929-018-0090-9)

6. 通过电子隧穿探测二维范德华结晶绝缘体中的磁性

(Probingmagnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling)

材料名称:二维范德华结晶绝缘体

研究团队:美国麻省理工学院Jarillo-Herrero研究组

磁性绝缘体是下一代自旋和拓扑器件中的关键。层状金属卤化物家族具有各种磁状态,包括超薄绝缘多铁性材料、自旋液体和铁磁体,但是用来解锁这些潜力的器件导向的表征技术仍然欠缺。Klein等人报导了作为温度和施加磁场函数的层状磁绝缘体CrI3中的隧穿效应。他们探测到磁几台和层间耦合,并且观察到一种场致变磁转变。这种转变分别导致双层CrI3壁垒95%、三层300%和四层550%的磁致电阻。他们进一步测量了非弹性隧穿谱,揭示了CrI3中与集体磁激励(磁子)的谱一致性。(Science DOI: 10.1126/science.aar3617)

7. 多孔金属有机框架化合物中的可逆NO2吸附

(Reversible adsorption of nitrogen dioxide within a robust porousmetal–organic framework)

材料名称:MFM-300(Al)

研究团队:英国曼彻斯特大学Yang和Schröder研究组

NO2是空气中一种主要的污染物,能够引起重要的环境和健康问题。Han等人报导了一种能够可逆吸附NO2的金属有机框架化合物。在室温条件下,MFM-300(Al)表现出一种可逆的NO2等温吸附(14.1 mmol/g),更重要的是它能够选择性吸附气体混合物中低浓度的NO2(5000 到 < 1 ppm)。综合实验揭示了MFM-300中五种能够同时与NO2和N2O4分子结合的超分子相互作用。他们发现孔中2NO2<->N2O4的原位平衡是非压力依赖的,而,非原位的这种平衡是一种典型的压力依赖第一有序过程。这种MFM-300(Al)中螺旋形的NO2单体-双体链能够为理解多孔主体中客体分子的化学性质提供基础。这一工作或许能够为未来捕获和转化技术的发展提供思路。(Nature Materials DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-018-0104-7)

8. 水和活性元素在合金形成氧化铝中的相互作用

(Interplayof water and reactive elements in oxidation of alumina-forming alloys)

材料名称:氧化铝

研究团队:瑞典查尔姆斯理工大学 I. Panas 和 L.G. Johansson 研究组

耐高温合金对支撑我们文明的诸多重要技术来说都是至关重要的。所有这些材料都仰赖于用于防腐蚀的外部氧化层。尽管经过了数十年对氧化层生长的研究,但仍然有许多未解决的问题,这其中就包括起关键作用的所谓的活性元素和水。Johansson 等人揭示了氧化铝生长过程中活性元素和水之间迄今未知的相互作用,从而促使形成了亚稳态“杂乱”的纳米结构氧化铝层。并提出氧化铝纳米粒子之间的活性元素修饰的羟基化界面促使了水能够进入层底部的内部阴极,与层生长情况不符。且以在氧化铝层中观察到氢化纳米域和活性元素/氢(氘)的共变作为证据。而富含缺陷的氧化铝随后会再结晶形成保护层。并且 Johansson等人通过第一性原理建模对 RE 效应进行了验证。这一研究结果为氧化研究开辟了一条非常有前景的途径,并为改善合金性能提出了方法。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0105-6)

9. 单层石墨烯调控神经元通讯和放大膜离子流

(Single-layer graphene modulates neuronal communication and augmentsmembrane ion currents)

材料名称:单层石墨烯

研究团队:意大利国际高等研究学院Scaini研究组

使用基于石墨烯的材料来调控适应中枢神经系统的复杂生物传感界面需要详细了解这些材料在生物环境中的行为。石墨烯特殊的性质能够引起各种细胞变化,但是背后的机理仍然不清楚。Pampaloni等人研究发现单层石墨烯能够通过改变膜相关功能增加培养细胞中的神经元放电。石墨烯能够调节与神经元界面处外部细胞离子的分布。理论和实验表明当单层石墨烯沉积在电绝缘基底上时石墨烯-离子相互作用达到最大化,而且至关重要。(Nature Nanotechnology DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-018-0163-6)

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