Nature/Science盤點: 五月材料領域重大進展

1、Nature：集成水凝膠的自適應蛋白質晶體

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加利福尼亞大學F. Akif Tezcan（通訊作者）團隊研究發現具有水凝膠聚合物的大分子鐵蛋白晶體可以各向同性地膨脹至其原始尺寸的180％，并且超過其原始體積的500％，同時保持周期性排序和多面Wulff形態。水凝膠網絡和鐵蛋白分子之間的動態結合相互作用賦予晶體有效抵抗碎裂和自愈的能力，而鐵蛋白分子的化學調整能夠在單晶內產生化學和機械分化的結構域。因此，即使相鄰的鐵蛋白分子在晶格膨脹時分離50埃后，它們之間的特定分子接觸可以在晶格收縮時重新形成，實現了迄今為止報道的原子級周期性和最高分辨率鐵蛋白結構的恢復。

文獻鏈接：文獻鏈接：Hyperexpandable, self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks（Nature, 2018, DOI:10.1038/s41586-018-0057-7）

材料牛資訊詳戳：這個小組時隔兩年Nature再獲突破：水凝膠使硬硬的結晶材料產生自修復行為

2、Science：增強納米尺度金屬晶粒的熱穩定性

中科院沈陽金屬研究所盧柯研究員和李秀艷研究員團隊（共同通訊作者）報道了小于臨界尺寸的金屬晶粒的熱穩定性隨著其晶粒尺寸的減小而增強。研究團隊使用純度為99.97％，表面為粗晶的不含氧Cu棒，在液氮溫度下使用表面機械研磨處理（SMGT）以產生梯度納米表面層，以此形成平均尺寸為?40±2 nm和長徑比為1.7的隨機取向晶粒。對這一類金屬晶粒的研究表明，純銅或鎳在低溫下塑性形變產生納米級晶粒的過程導致部分位錯活化，從而使納米晶粒之間形成低角度晶界，導致納米晶晶界自動從高能態演變到低能態，最終增強了熱穩定性。

文獻鏈接：Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size（Science，2018, DOI: 10.1126/science.aar6941）

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3、Nature：自評估和自修復液晶材料

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威斯康星大學Nicholas L. Abbott（通訊作者）團隊的研究表明一系列刺激可以觸發最初被捕獲在液晶內的微型（水性微滴或固體微粒及其化學物質）脈動（瞬時）或連續釋放。在此種現象基礎上，可以通過不同幾何形狀（如孔，膜和乳滴）中的彈性，電雙層，浮力和剪切力的相互作用進行預編程來實現液晶材料自我預估和自我調節化學反應的方式。因此，這類新型液晶材料在載體控制釋放藥物等領域有著良好的應用潛力。

文獻鏈接：Self-reporting and self-regulating liquid crystals（Nature, 2018, DOI:10.1038/s41586-018-0098-y）

材料牛資訊詳戳：Nature今日報道有趣研究：自評估和自修復液晶材料，你的手機屏幕可能成了“大活人”！

4、Nature：逼近范德瓦耳斯金屬-半導體結中的肖特基-莫特極限

加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒教授、黃昱教授（共同通訊作者）團隊報道了通過將金屬薄膜原子級地層壓到二維半導體上來創建范德瓦耳斯金屬-半導體結的方法。通過這種方法創建的界面不存在化學鍵合作用，因此可以避免化學性損傷。而由于接近肖特基-莫特極限的肖特基勢壘高度由金屬功函數決定，因此該研究利用具有與MoS₂價帶邊緣匹配的功函數的金屬膜（Ag或Pt）獲得了開路電壓為1.02V的Ag-MoS₂-Pt光電二極管，不僅在實驗上驗證了理想金屬半導體連接點的基本極限，而且還定義了可用于高性能電子和光電子的金屬集成的高效無損的策略。

文獻鏈接：Approaching the Schottky–Mott limit in van der Waals metal–semiconductor junctions（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0129-8）

材料牛資訊詳戳：段鑲鋒黃昱夫婦最新Nature大作：范德瓦爾斯金屬-半導體結逼近肖特基-莫特極限

5、Science：在2D范德華晶體絕緣體中探測磁性

美國麻省理工的P. Jarillo-Herrero（通訊作者）的團隊報道了分層磁絕緣體CrI₃的隧穿與溫度和施加磁場的關系，同時還檢測了磁性基態和層間耦合并成功觀察到場誘導的磁性轉變。其中超磁轉變分別對雙層，三層和四層CrI₃阻擋層產生了95％，300％和550％的磁阻，進一步測量的非彈性隧道譜也揭示了與CrI₃中集體磁激發一致的光譜。

文獻鏈接：Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar3617）

材料牛資訊詳戳：Science：通過電子隧穿在2D范德華晶體絕緣體中探測磁性

6、Science：具有納米尺度圖靈結構的聚酰胺膜

浙江大學張林教授（通訊作者）課題組研究嘗試在水相中加入一定量的聚乙烯醇，由于聚乙烯醇和活性劑之間的氫鍵作用增加溶液粘度，降低了活性劑的擴散速率，從而使得活性劑與抑制劑之間的擴散系數差異滿足圖靈結構的產生條件。以此現象為基礎，該研究報道了兩種不同的圖靈結構，其具有良好的透水性和鹽選擇性，在水凈化方面具有重要的應用價值。

文獻鏈接：：Polyamide membranes with nanoscale Turing structures for water purification (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar6308)

材料牛資訊詳戳：浙江大學Science：具有納米尺度圖靈結構的聚酰胺膜用于凈水

7、Science：獲得最大ZT值的SnSe晶體

北京航空航天大學大學趙立東和南方科技大學何佳清（共同通訊）等人在773K溫度下實現了在平面外的n型硒化錫（SnSe）晶體中的最大ZT值（?2.8±0.5）。層狀SnSe晶體的熱導率在面外方向[二維（2D）聲子傳輸]中是最低的。而本研究用溴摻雜SnSe以制備具有重疊層間電荷密度（3D電荷輸運）的n型SnSe晶體，連續的相變增加了結構對稱性并使兩個會聚導帶發散。這兩個因素同時改善了載波的移動性，并且保留了很大的Seebeck系數。該研究結果可應用于二維分層材料，并提供了一種新的策略來增強平面外電輸運性能而不降低熱性能。

文獻鏈接：3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals（Science, 2018, DOI:10.1126/science.aaq1479）

材料牛資訊詳戳：今日北航和南科大強強聯合發表熱電材料Science重磅：平面外n-型SnSe晶體獲得最大ZT值

8、Nature：垂直排列液晶MXenes電容無厚度依賴

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賓夕法尼亞大學Shu Yang教授和德雷塞爾大學Yury Gogotsi（共同通訊作者）合作進行了一項嶄新的研究：二維MXene（Ti₃C₂Tx薄膜）材料液晶相的垂直排列可使材料的電容與其厚度無關。研究人員通過自組裝的方法實現了二維Ti₃C₂Tx薄膜盤狀液晶相的垂直排列，所得的電極薄膜展現出優異的性能，其性能幾乎與薄膜的厚度（200 μm）無關，這使得其在儲能領域和未來工業化具有巨大的潛力。此外，該自組裝方法可規模化應用，而且這種方法也可以擴展到涉及定向傳輸的其他體系，如催化和過濾等。

文獻鏈接：Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0109-z）

材料牛資訊詳戳：Nature：垂直排列的液晶MXenes的電容與其厚度無關

9、Nature：石墨烯納米帶的磁邊緣狀態及相干操控

英國牛津大學材料系Lapo Bogani（通訊作者）團隊利用穩定的自旋軸承基團功能化分子石墨烯納米帶解決了石墨烯研究領域的關鍵問題。該研究首先觀察到了理論預測的非局域磁邊緣狀態，并檢測驗證了自旋動力學和自旋-環境相互作用的理論模型。與非石墨化的參考材料相比，能夠清楚地識別自由基功能化石墨烯納米帶的特征行為。接著，研究還量化了自旋軌道耦合的參數，定義了相互作用模式，并確定了自旋退相干通道。即使沒有任何優化，自旋相干時間能夠在室溫下的微秒范圍內，實現邊緣和自由基自旋之間的量子反演操作。由此，該項研究提供了一種在石墨烯納米帶實驗中測試磁性理論的方法。

文獻鏈接：Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0154-7）

材料牛資訊詳戳：牛津大學今日Nature：石墨烯領域獲新突破！納米帶還可以這么玩

10、Science：激子擴散長度達到200nm的PDHF纖維

劍橋大學Richard H. Friend，布里斯托大學George R. Whittell以及Ian Manners教授（共同通訊作者）等人分別以聚乙二醇和聚噻吩等為原料制備了具有電暈結構的有機半導體納米纖維。在這種納米纖維中，由于Π-Π堆積作用，中心核區的激子能夠遷移到聚聚噻吩電暈結構中，同時實現大于200nm的超長擴散距離和巨大的擴散系數，更重要的是，這個距離可以通過改變聚乙二醇的長度來調節，因此該特征可能有潛力被用于有機器件如光伏發電的開發中。

文獻鏈接：Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth（Nature, 2018, DOI:10.1126/science.aar8104）

材料牛資訊詳戳：今日Science:突破激子擴散長度-200nmPDHF纖維

11、Nature：質子陶瓷燃料電池

美國馬里蘭大學的Chuancheng Duan和ryan O’Hayre（共同通訊）作者等人研究了在500至600℃之間，11種不同燃料（氫氣，甲烷，家用天然氣（含和不含硫化氫），丙烷，正丁烷，異丁烷，異辛烷，甲醇，乙醇和氨）的質子陶瓷燃料電池的長期測試結果。經過6000多個小時的電池測試，幾種燃料中都表現出優異的性能和卓越的耐用性（在大多數情況下，每1000小時降解量低于1.5個百分點），而無需對電池組成或結構進行任何修正。電池可以容忍大幅度的溫度的波動，即使經過數千小時的運行，也沒有觀察到焦化現象。質子陶瓷燃料電池器件在該項研究中所展現的燃料靈活性和長期耐用性凸顯了該技術的前景以及其商業應用的潛力。

文獻鏈接：Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0082-6）

材料牛資訊詳戳：馬里蘭大學Nature：高度耐用，焦化和耐硫，燃料靈活的質子陶瓷燃料電池

本文由材料人學術組NanoCJ供稿，材料牛編輯整理。

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