Nature & Science：7月材料領域科研成果匯總

作為標桿科技發展前沿的Nature & Science頂刊，材料人們也萬萬不可放過啊！鑒于假期已步入倒計時，便容小編為你們簡單細數一下7月間榮登頂刊的材料大文。

1. Science:新型“相間應變”策略構建具備巨大極化強度的鐵電薄膜

北京科技大學的陳駿教授以及邢獻然教授（共同通訊作者）等人提出了新型“相間應變”的策略并以此在超四方性薄膜上實現了巨大極化。該研究發現利用晶格結構相似、晶格參數不同的兩種材料，在外延生長時晶界處的晶格參數是相互匹配的，從而可在材料間產生各向同性應變，即“相間應變”。利用這種“相間應變”策略，研究人員在PbTiO₃外延復合鐵電薄膜上引入高負壓從而實現了巨大的極化性能，其剩余極化強度可達到236.3微庫倫/cm²，是現有已知鐵電體的2倍。此外，這種薄膜的超四方性相在725℃的高溫下依然穩定，而對應塊體的相轉變溫度卻只有490℃。

文獻鏈接：Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan2433）

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2. Science: Dirac源場效應晶體管作為節能、高性能的電子開關

北京大學的張志勇-彭練矛課題組在Science上發表文章，題為：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches。團隊表明,具有在費米能級附近比傳統的場效應晶體管更窄的電子密度分布的石墨烯Dirac源(DS)可以降低SS。在室溫下具有碳納米管通道的DS-FET能夠提供平均40mV/decade，并且在60mV/decade下高器件電流I60達到了40 μA/μm。與最先進的硅14納米節點FETs相比，該團隊在更低的0.5V（硅的電壓為0.7伏）應用偏壓下得到了一個類似的on狀態電流，而在off狀態下，低于35mV/decade。

文獻鏈接：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches, (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aap9195)

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3. Nature: 高速率鋰離子能量儲存的鈮鎢氧化物

劍橋大學的Clare P. Grey（通訊作者）團隊提出了利用微米級的鈮鎢氧化物材料（Nb₁₆W₅O₅₅以及Nb₁₈W₁₆O₉₃）來替代納米顆粒同樣可以顯著優化電池性能。該研究證明了只要利用適當的主晶格適，材料的尺寸、結構甚至多孔性均不是實現高速充放電電池電極的必要性質。相反地，研究人員利用克級固態合成法制備的鈮鎢氧化物塊體材料，可高效利用其超結構模塊來穩定鋰嵌入過程中的材料主體結構。因此這種材料不僅在鋰離子擴散系數上優于傳統的電極材料（Li₄Ti₅O₁₂）數個數量級，同時還能保持優于納米材料的高容量以及高鋰存儲性能。這一鈮鎢氧化物材料的出現打破了通過構造納米電極材料來優化電池中離子擴散速率和電學性能的傳統方法，為制備高性能電池提供了新的策略。

文獻鏈接：Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0347-0）

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4. Science：過渡金屬三硫化物的單鏈極限扭轉不穩定性

美國加州大學伯克利分校 、勞倫斯伯克利國家實驗室Alex Zettl教授（通訊作者）的帶領下，與分子鑄造和人工光合作用聯合中心合作，報道了在一個鏈限制內的一維過渡金屬三硫族化物NbSe₃的合成，包括實現分離的單鏈，鏈被包封在保護性氮化硼納米管（BNNT）或碳納米管（CNT）外殼中。空間限制促進并穩定亞晶胞NbSe₃的生長，直至三重，雙重甚至單原子鏈。封裝還可以保護鏈條免受環境氧化，并且易于處理和表征。鏈條在管內可移動。即使在單鏈限制下，也觀察到具有規則周期性的不尋常的螺旋扭轉波。電子結構理論計算表明NbSe₃的電子能帶結構高度依賴于鏈數和方向，扭轉波的不穩定性是由鏈的充電驅動的。在鏈和納米管鞘之間發現非常少的共價鍵合，導致包封鏈的相對不受阻礙的縱向和扭轉動力學。

文獻鏈接：Torsional instability in the single-chain limit of a transition metal trichalcogenide(Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat4749)

材料牛資訊詳戳：今日Science：巧妙利用納米管促進過渡金屬硫族化物鏈狀生長

5. Science: COF的單晶XRD結構表征手段

在蘭州大學王為教授，北京大學孫俊良教授和美國加州大學伯克利分校Omar M. Yaghi教授（共同通訊作者）的帶領下，與伯克利全球科學研究所，百時美施貴寶公司和天津化學化工協同創新中心合作，報告了一種使用苯胺作為調制劑來生長由強亞胺鍵（~600 kJ/mol）固定在一起的高質量三維（3D）多孔COF大單晶。苯胺具有與COF成分相似的反應性，但是它是單官能的，并且作為成核的抑制劑，因此改變了結晶過程。高質量的晶體允許收集高達0.83?分辨率的單晶X射線衍射數據，從而產生明確的解決方案和精確的各向異性細化。具體地，破解亞胺基COF-300中的相互滲透程度，并確定水合形式的COF-300中的水的排列。COF-303的反向亞胺連接性與非反向類似物不同，并且獲得了等網狀擴展的COF（LZU-79）的晶體結構。此外，團隊用罕見的lon-b-c3拓撲結構解決并改進了新合成的手性LZU-111的單晶結構。

文獻鏈接：Single-crystal x-ray diffraction structures of covalent organic frameworks（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat7679）

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6. Nature: Weyl?聲子晶體表面聲波的拓撲負折射

報道了由Weyl聲子晶體所承載的拓撲表面波的負折射，這是最近發現的Weyl半金屬的聲學模擬物。發生這種拓撲負折射的界面是分離晶體不同側面的一維邊緣。通過剪裁Weyl聲子晶體的表面端部，可以設計表面聲波的恒定頻率輪廓，以在某些界面產生負折射，同時在同一樣品內的不同界面實現正折射。相比更為常見的表面波行為，由于恒定頻率輪廓的開放性，報道的晶體可以防止不必要的反射，這是Weyl晶體拓撲保護表面狀態的標志。

文獻鏈接：Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal（Nature 560, 61–64 (2018)）

材料牛資訊詳戳：今天這所985大學發表了建國后的第一篇Nature，你確定不進來看一眼嗎？

7. Nature: 二維材料到深亞分辨率的電子影像

文章講述將電子顯微鏡像素陣列檢測器與所需動態范圍相結合，記錄透射電子的完整分布，以及從全相位空間恢復相位信息，研究人員獲得了遠遠超過傳統數值的空間分辨率。在80千電子伏特的束能下，研究的ptychographic重建基本上改善了MoS₂中單原子缺陷的圖像對比度，達到了接近5α的極限，相當于阿貝衍射限制分辨率達到0.39 ?。常規成像方法僅達到0.98 ?。

文獻鏈接：Electron ptychography of 2D materials to deep sub-?ngstr?m resolution（Nature?559, 343–349 (2018)）

材料牛資訊詳戳：今日Nature：vivo NEX｜Find X 屏幕分辨率依舊，看康奈爾大學如何實現空間分辨率大突破

8. Science：非金屬基三維鈣鈦礦鐵電體

在東南大學游雨蒙教授和熊仁根教授（共同通訊作者）的帶領下，與南昌大學和南京航空航天大學合作，使用分子設計策略并精心選擇有機陽離子來開發一系列無金屬ABX₃型3D鈣鈦礦鐵電體，其通式為A(NH4)X3（其中A是二價有機陽離子，X是Cl，Br或I）。團隊合成了該系列的23個不同樣品，具有一系列不同的結構和相變溫度。在第一個A(NH4)X3鈣鈦礦中，MDABCO-NH4I3（MDABCO是N-甲基-N'-二氮雜雙環[2.2.2]辛銨）具有448 K的高相變溫度（T₀）和22μC/cm²的大P_s，與BTO性能相當。此外，使用壓電響應力顯微鏡（PFM），發現了具有八個偏振方向的各種鐵電疇的共存，并且證明了通過施加電場可以靈活地旋轉偏振方向。團隊的策略證明了高性能無金屬鐵電鈣鈦礦的可行性。在沒有金屬元素的情況下，預期這些有機物與其無機和有機-無機對應物相當，通過高柔韌性，可調節的結構-性質關系，可能的溶液和真空工藝以及有機材料的生物相容性而得到增強。這些屬性使其在柔性設備，軟機器人，生物醫學設備和其他應用中具有吸引力。

文獻鏈接：Metal-free three-dimensional perovskite ferroelectrics（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aas9330）

材料牛資訊詳戳：東南大學熊仁根教授團隊發表第3篇Science：無金屬的三維鈣鈦礦鐵電體

9. Nature：電控制水滲透石墨烯氧化物膜

該文章創造性地在氧化石墨烯中加入碳導電絲，被電場擊穿的導電絲會釋放微弱的電流，并產生一個局域電場可使得水分子與氧化石墨烯進行分離，從而達到水的滲透精確控制。早在此前氧化石墨烯薄膜就已經被用于水滲透的研究，此次R.R.Nair教授通過導電絲的引入使得氧化石墨烯薄膜的水滲透能力可以通過電場進行精確的調控（可實現從快速滲透到完全關閉滲透的轉變）。該工作將在人工生物系統、組織工程和智能過濾膜領域產生極大的實際意義。

文獻鏈接：Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes?（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0292-y）

材料牛資訊詳戳：電場可控的精確水滲透技術-水滲透薄膜技術的大突破

10. Science: 鈰光催化作用甲烷、乙烷和更高烷烴的選擇性功能化

上海科技大學物質科學與技術學院左智偉科研團隊在光促進甲烷轉化這一重要能源化工領域取得突破性進展：他們成功發展了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系。這一基礎研究領域的突破，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉化為液態產品的科學難題，為甲烷轉化成高附加值的化工產品（例如火箭推進劑燃料）提供了嶄新和更加經濟、環保的解決方案。同時，對這一高效、可持續的光促進鈰催化模式的深入研究和進一步推廣應用，將為我國高效利用特有的稀土金屬資源提供新的思路和前景。

文獻鏈接：Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat9750)

本文由Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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