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《自然》《科学》一周(10.23-10.29)材料科学前沿要闻

新材料在线 2021-04-06 11:45:00


1. 低温电镜揭示敏感电池材料和界面的原子结构

Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo–electron microscopy


标准透射电子显微镜研究在操作后,无法保持化学反应性和电子束敏感性电池材料的原始化学反应状态,这类材料在低温条件下才能保持原始状态。现在,利用固体电解质膜(SEI)实现单个锂金属原子及其界面进行原子级解析已经成为可能。Li 等人发现,在碳酸盐类电解质中,枝晶会优先沿着 <111>、<110> 或 <211> 方向生长为具有明确晶面的单晶纳米线,且在 <111> 方向最优先生长。在扭折的情况下,这些生长方向可能会发生变化,且没有显著的晶体缺陷。 此外,Li 等人还揭示了在不同电解质中形成的不同 SEI 的纳米结构。(Science DOI: 10.1126/science.aam6014)



2. 通过二元纳米微粒超晶格的后组装蚀刻制备可调谐多孔纳米同素异形体

(Tunable porous nanoallotropes prepared by post-assembly etching of binary nanoparticle superlattices)


已经有数百种不同的胶体晶体可以使用无机纳米微粒自组装来制备,但几乎都限制于必须密集堆积。Udayabhaskararao 展示了可以通过选择性去除构成二元纳米微粒超晶格的两个组分中的一个来制造非紧密堆积的纳米微粒阵列。首先,在液-空界面处制备了多种二元纳米微粒超晶格,其中包括此前未知的几种。分子动力学模拟揭示了液体在照模板形成超晶格过程中的特殊作用,超晶格不能通过本体溶液中的自组装实现。其次,在稳定之后,所有这些二元超晶格都可以转化为具有相同化学成分但不同于其纳米尺度结构的纳米多孔材料,即“纳米同素异形体”。(Science  DOI: 10.1126/science.aan6046) 



3. 离子在埃尺度狭缝中传输的尺寸效应

Size effect in ion transport through angstrom-scale slits


在纳米流体领域,可控地制造接近小离子和水分子尺寸的毛细管,一直是个似乎很遥远的终极目标。Esfandiar 等人介绍了通过极其狭窄的狭缝进行的离子传输,这些狭缝是通过从块状晶体中有效地去除单原子平面而制造得出的。这种原子级平坦的埃尺度缝隙表现出极低的表面电荷,并可以通过位阻效应予以解释。Esfandiar 等人还发现尽管流动性降低,但水合直径大于狭缝尺寸的离子仍然可以渗透。狭缝的限制同时也使得尺寸相当的阴阳离子在该通道中表现出显著不对称的迁移速率。这一研究结果为研究纳米流体、分子分离和其它纳米技术发展所必需的埃尺度约束效应提供了平台。(Science  DOI: 10.1126/science.aan5275)



4. 基于 MoTe2 的发光二极管和光电探测器

(A MoTe2-based light-emitting diode and photodetector for silicon photonic integrated circuits


光子学当前的挑战之一,是开发高速、高功率、芯片集成的光通信设备,以解决高速计算系统中的互连瓶颈。硅光子学已经呈现出领先的架构,部分原因在于许多组件(如波导、耦合器、干涉仪和调制器)可以直接集成到硅基的处理器上。但是,光源和光电探测器却正面临着挑战。常见用作光源的方法包括基于 III-V 族材料的一个或几个片外或晶片结合的激光器,但是近来的系统架构研究显示了在发射器位置处使用多个直接调制光源的优点。硅光子工艺中最先进的光电探测器是基于锗,但这需要额外的锗生长,而这样则增加了系统成本。新兴的二维过渡金属二硫化物(TMD)为光学互连器件提供了一条途径,可通过后端工艺处理,与硅光子学和互补金属氧化物半导体(CMOS)进行集成。Bie 等人演示了基于双层 MoTe2 的 p-n 结的硅波导集成光源和光电探测器(具有红外能带的 TMD 半导体)。这种最先进的制造技术为集成光电系统提供了新的机会。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.209)



5. 利用仿贻贝的铁-邻苯二酚配合物来增加弹性体韧性

(Toughening elastomers using mussel-inspired iron-catechol complexes)


材料经常表现出在刚度和延展性之间的折衷;例如,通过增加其交联密度来增强弹性体会导致脆化和韧性降低。受海洋贻贝 byssi 表皮的启发,Filippidi 等人通过将牺牲性可逆铁-邻苯二酚交联连接到干燥、松散交联的环氧网络中来规避这一固有的折衷。与其无铁前驱体相比,含铁网络的刚度、拉伸强度和拉伸韧性提高了两到三个数量级,同时获得了可恢复的滞后能量耗散并保持了其原始的可扩展性。与以前在水凝胶中的这种化学实验相比,含铁网络自身的干燥特性使得性能有所提高,这主要由于可逆铁-邻苯二酚配合物提供的增强交联密度和它们形成的限制链的离聚物纳米团的协同作用。(Science  DOI: 10.1126/science.aao0350)   

  


6.凝聚态物质的拓扑状态

(Topological states of condensed matter)


量子物质的拓扑状态近年来在材料科学和凝聚态物理学中得到了深入的研究。这一领域的爆炸式发展很大程度上是由于精确的理论预测,能够实现良好控制的材料加工和新兴的表征技术。在本篇前瞻性(Perspective)文章中,Wang 等人对拓扑绝缘体,量子反常霍尔效应,手性拓扑超导体,螺旋拓扑超导体和 Weyl 半金属的近期进展进行了回顾综述。(Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT5012) 



7. 对量子材料的需求特性

(Towards properties on demand in quantum materials)


过去十年来,量子材料领域的爆炸式增长,以对相关电子系统中新型朗道对称破缺相的预测和发现,具有强自旋轨道耦合的系统中的拓扑阶相,以及基于二维范德华晶体的超可操纵材料平台为重点。发现通过实验实现物质量子相并对其属性进行控制的途径是现代凝聚态物理学的核心目标,实现这一目标则有希望实现新一代目前无法实现和可能难以想象其功能的电子/光子器件。在本篇综述中,Basov 等人描述了选择性扰动微观相互作用参数的新兴策略,可用于将材料转化为期望的量子态。接下来重点讨论了最近通过利用强场、脉冲电磁刺激和纳米结构工程或界面工程来定制电子交互参数所取得的成功上。这些方法一起勾画出了一个需求量子现象时代的潜在路线图。(Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT5017) 



8.多面体金属-有机骨架颗粒自组装成为三维有序超结构

(Self-assembly of polyhedral metal–organic framework particles into three-dimensional ordered superstructures)


将粒子自组装成长城、三维、有序超结构对于设计各种材料(包括等离子体传感材料,能量或气体存储系统、催化剂和光子晶体)至关重要。Avci 等人结合实验和模拟数据显示,金属-有机骨架(MOF)ZIF-8 的截角菱形十二面体颗粒可以自组装成毫米尺寸的超结构,其具有表现为光子晶体的基本三维菱形晶格。这些超结构具有可通过控制 ZIF-8 微粒尺寸,或微孔中吸附的客体物质,来进行调节的光子带隙。另外,也可以通过调整 ZIF-8 纳米微粒的截角程度,或者使用八面体 Uio-66 MOF 微粒,来组装成具有不同晶格的超结构。这些有序的亚微米尺寸超结构材料可能最终有助于设计用于感测应用的三维光子材料。(Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.2875)



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