Science/Nature盤點: 一月材料領域重大進展

1、Science：氫鍵共價交聯獲得高機械強度，穩定可修復聚合物

東京大學Takuzo Aida（通訊作者）等人報道了低分子量聚合物，通過高密度氫鍵的交聯，盡管擴散動力學緩慢，但依然能實現高機械強度與穩定修復。材料關鍵之一在于使用了硫脲，可以無規則的形成“之”字形氫鍵陣列，從而不會誘導形成不需要的結晶。另一關鍵點在于包含了的結構元素可促進氫鍵對的交換，使斷裂部分受壓縮能重新穩定聚合。

文獻鏈接：Mechanically robust, readily repairable polymers via tailored noncovalent cross-linking（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aam7588）

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2、Science：構筑有序的宏觀-微孔金屬有機框架單晶

華南理工大學李映偉教授聯合德州大學圣安東尼奧分校陳邦林教授（共同通訊）團隊在金屬-有機框架（MOF）單晶內構筑了高度取向和有序的微孔，以單晶形式開辟了三維有序的宏觀-微孔材料（即同時含有宏觀和微觀孔的材料）的新紀元。該策略得益于聚苯乙烯納米球模板和雙溶劑誘導異質成核方法的強大成型效果。該過程協同地使MOFs在有序空隙內原位生長，使單晶具有定向的和有序的宏觀微孔結構。與傳統的多晶中空和無序孔ZIF-8相比，這種分層框架改善的擴散性質及其穩定的單晶性質使其具有優異的催化活性和對大分子反應的可回收性。

文獻鏈接：Ordered macro-microporous metal-organic framework single crystals（Science，2018，DOI:10.1126/science.aao3403）

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3、Science：磁場調控手性磁性納米顆粒和凝膠的光學活性

密歇根大學Nicholas A. Kotov和巴西Federal University of S?o Carlos大學André F. de Moura（共同通訊作者）等人合成了具有L-和D-半胱氨酸表面鍵的順磁性Co₃O₄納米顆粒，這些鍵賦予了晶體晶格的手性轉變，而這種各向異性使得材料的手性光學活性增強，較非順磁性納米顆粒要高10倍。納米顆粒凝膠對紫外光范圍內圓偏振光束的透過率可以通過磁場可逆調控。這種現象同樣在其他具有印跡氨基酸和其他手性鍵修飾晶格扭曲的納米金屬氧化物觀察到。這系列手性陶瓷納米結構和凝膠對于手性和磁性的連接以及推進相關新技術和領域的發展都是至關重要的。

文獻鏈接：Chiromagnetic nanoparticles and gels（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aao7172）

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4、Science：DNA摻雜的“超晶格”

西北大學Vinayak P. Dravid、Chad A. Mirkin和Koray Aydin（共同通訊作者）等人開發了一種新技術，用于制造具有納米結構的超材料，這種納米結構可以被賦予獨特的光學特性。通過使用附著在DNA鏈上的可以根據要求縮小或拉伸的金納米粒子，該研究團隊能夠改變材料的顏色，通過此方法，可以在相對較大的區域內對粒子的精確布局施加大量的控制。改變所用納米粒子的尺寸，形狀和類型，可以設計出幾乎具備所有需要的光學性能的全新超材料。這可能包括幾乎可以轉變成所有可見顏色的設備，甚至包括能夠彎曲光線以“隱身”的設備。

文獻鏈接：Building superlattices from individual nanoparticles via template-confined DNA-mediated assembly（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aaq0591）

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5、Science：鎂合金塑性增強機制的起源與預測

洛桑聯邦理工學院W. A. Curtin（通訊作者）報道了由于金字塔形<a + c>位錯轉換為固定結構，純鎂表現出較差的延展性。該研究說明了為什么鎂可以通過特定的稀釋溶質添加劑使其具有延展性，這使得<c + a>交叉滑移和倍增速率比有害的<c + a>轉化速度快得多，使得其在加工過程中既能獲得良好的質感，又能在變形過程中持續塑性變形。定量理論建立了延性作為合金成分函數的條件，與許多現有的鎂合金的實驗非常吻合，并且溶質增強滑移機制通過透射電子顯微鏡觀察在鎂-釔中得到證實。這種理論可以快速篩選出有利于高延展性條件的合金組成，并有助于開發高成形性的鎂合金。

文獻鏈接：Mechanistic origin and prediction of enhanced ductility in magnesium alloys（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aap8716）

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6、Science：電場調控納米機器手自組裝

慕尼黑工業大學Friedrich C. Simmel（通訊作者）等人制備了一個具有25 nm長機器手的55 nm × 55 nm的DNA基分子平臺，具有的機器手可以延伸至400 nm，并且可以通過施加外電場調控。在毫秒內就可以實現對機器手在平臺任意位置的精準和計算機調控。通過電場調控，機器手可以用于分子或納米顆粒的傳輸。

文獻鏈接：A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aao4284）

7、Science：通過光學自旋-軌道耦合的納米手征能谷-光子界面

代爾夫特理工大學L. Kuipers（通訊作者）等人證實二維過渡金屬硫化合物的能谷信息可以用光的自旋角動量編碼并檢測。使用等離子納米線二硫化鎢（WS₂）層系統證實了能谷依賴的光定向耦合。WS₂中的谷贗自旋耦合相同手性的橫向光子自旋，耦合效率達到90±1%。研究結果為調控、檢測和處理電子能谷和自旋信息提供平臺。

文獻鏈接：Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aan8010）

8、Nature：多重響應表面活性劑作用構建“百變”液滴

韓國基礎科學研究所（IBS）Bartosz A. Grzybowski（通訊作者）等人最新報道合成了一種基于功能化納米顆粒二聚物的表面活性劑，具備多重外部刺激響應的特點。這些表面活性劑及其包覆著的液滴，可以同時受外加磁場、光源及電場的作用。因而，受包覆的液滴可以組裝成不同的多級結構，包括動力學意義上的作用，例如光能可以使液滴快速旋轉。旋轉的液滴可以對次鄰位液滴傳達機械力矩，這表現的就像機械齒輪系統。同時，由于界面作用，被不同表面活性劑包覆的液滴可以在外加電場的作用下形成復雜的、非球形的、不調和的多種結構。而這些液滴則能運載不同的化學物質，結合多重外部刺激可以用以控制液滴的方向、液滴間傳輸、物質混合以及最終一系列的化學反應。這種多重響應的表面活性劑以及包覆的液滴達到前所未有的靈活程度，可以控制、組裝及相互反應。

文獻鏈接：Systems of mechanized and reactive droplets powered by multi-responsive surfactants（Nature，2018，Doi:10.1038/nature25137）

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9、Nature：二維橫向異質結構的一鍋法合成

目前主要的單步或多步合成過渡金屬硫族化合物橫向異質結構的方法缺乏靈活可控性。佛羅里達大學Prasana K. Sahoo和Humberto R. Gutiérrez（共同通訊作者）等人報道利用單個非均質固體源，一步法連續合成由過渡金屬二硫化物組成的橫向異質結構。通過在水蒸氣存在的條件下改變反應氣體環境的組成，異質結的連續形成得以實現。并能選擇性調控每個過渡金屬前驅體水誘導的氧和汽化，以及基底的成核，從而致使過渡金屬二硫化物連續性的邊緣外延生長。該方法可擴展至其他二維材料異質結構的生長。

文獻鏈接：One-pot growth of two-dimensional lateral heterostructures via sequential edge-epitaxy（Nature，2018，Doi: 10.1038/nature25155）

10、Nature：鈣鈦礦鎳酸鹽可用作鹽水溶液中的電場傳感器

普渡大學Shriram Ramanathan（通訊作者）等人報道了一種可以在電場驅動下發生水介導可逆相變的鈣鈦礦結構的鎳酸鹽材料SmNiO₃。這種強關聯量子材料在鹽水有很好的穩定性，抗腐蝕，能在室溫下與周圍的水交換質子同時發生電阻和光學性質的改變。可用于制作熱敏電阻和pH傳感器等，以監測海洋中由海洋生物和船只引發的電信號改變。

文獻鏈接：Perovskite nickelates as electric-field sensors in salt water（Nature，2018，Doi: 10.1038/nature25008）

11、Nature：銫鉛鹵鈣鈦礦中明亮的三重態激子

蘇黎世聯邦理工學院Maksym V. Kovalenko、David J. Norris和Gabriele Rainò以及美國海軍科學研究實驗所Alexander L. Efros（共同通訊作者）等人報道了銫鉛鹵鈣鈦礦（CsPbX₃, X=Cl, Br, I）中最低能量激子涉及高發射三重態。并通過等效質量模型和群論證明該狀態存在的可能性，而后將模型應用于 CsPbX₃ 納米晶體。最低能量激子的明亮三重態特征解釋了材料的異常發光。低溫熒光譜中精細結構進一步證實了三重態激子的存在。

文獻鏈接：Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites（Nature，2018，Doi: 10.1038/nature25147）

本文由材料人學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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