Nature系列刊導讀來了，不可錯過的高光時刻

為大家準備了Nature、Nature Materials、Nature Energy、Nature Nanotechnology系列近期文章速覽，供大家學習參考。

Nature:?電子集成，大規模制造，微型機器人

微電子領域的摩爾定律為迅速發展的微觀機器人領域帶來了非凡的機遇。目前，電子、磁性和光學系統具有前所未有的復雜性、小體積和低成本的組合，可以很容易地應用于小于人類視覺分辨率限制(小于100 um)的機器人。然而，一個主要的障礙在于缺乏與半導體工藝無縫集成并響應標準電子控制信號的微米級致動器系統。在這里，康奈爾大學Itai Cohen，Paul L. McEuen，Marc Z. Miskin等人通過開發一種新型的電壓可控電化學致動器來克服這個障礙，這種致動器可以在低電壓(200 mV、低功率(10 nW)下工作，并且完全兼容硅工藝，很容易與微電子元件集成，以實現大規模構建完全自主的微型機器人。100um以下的行走機器人制造的每一步都是并行執行的，每4英寸的晶圓片可以生產超過100萬個機器人。這些結果對于大規模制造、硅基、功能機器人來說是一個重要的進步，因為它們太小了，無法用肉眼分辨。相關研究以“Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots”為題目，發表在Nature上。（DOI: 10.1038/s41586-020-2626-9）

圖1?并聯制造的電子集成微型機器人

Nature:?硅氣凝膠的增材制造

由于其超低的導熱性和開孔結構，硅氣凝膠被廣泛應用于隔熱、催化、物理、環境補救、光學器件和高速粒子捕獲。絕熱材料是硅氣凝膠最大的市場，當空間有限時，硅氣凝膠是理想的材料。硅氣凝膠的一個缺點是脆性。纖維增強劑和粘合劑可以在建筑和工業絕緣的大范圍應用中克服這一問題，但是它們的可加工性差，加上精確鑄造小物體的不穩定性，限制了二氧化硅氣凝膠小型化的潛力。在此，瑞士聯邦材料科學與技術研究所Wim J. Malfait，Shanyu Zhao教授報道了一種直接油墨書寫的增材制造方法，從稀釋的二氧化硅納米顆粒懸浮液（溶膠）中的硅氣凝膠粉末漿液中構建微型硅氣凝膠物。由于高體積分數的凝膠顆粒，墨水表現出剪切稀釋行為。因此，在打印過程中，它們很容易通過噴嘴，但在打印后，它們的粘度迅速增加，確保被打印的物體保持其形狀。印刷后，硅溶膠在氨氣中形成凝膠，使后續處理成為氣凝膠。印刷的氣凝膠物體是純二氧化硅，并保持典型的二氧化硅氣凝膠的高表面積和超低導熱性。此外，還演示了功能納米顆粒可以很容易地結合在一起。打印的二氧化硅氣凝膠對象可以用于熱管理，作為小型氣體泵和降解揮發性有機化合物。相關研究以“Additive manufacturing of silica aerogels”為題目，發表在Nature上。（DOI: 10.1038/s41586-020-2594-0）

圖2?直接墨水書寫法生產二氧化硅氣凝膠的增材制造

Nature Materials：具有鑄態拉伸塑性的難熔高熵合金的自然混合導向設計

含有多種主要合金元素的金屬合金引起了人們對探索金屬性能極限和理解潛在物理機制的興趣。難熔高熵合金（RHEAs）因其高熔點和優異的耐軟化性能而受到特別關注，這是高溫應用的兩個關鍵要求。即使考慮到成本和可回收性的限制，它們的構成空間也是巨大的。然而，難熔高熵合金往往表現出明顯的脆性和氧化敏感性，這是其加工和應用的重要挑戰。在此，麻省理工學院Cemal Cem Tasan教授等人利用耐火材料元素的自然混合特性，設計了一種Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄耐火高熵合金，該合金在鑄態具有>20%的拉伸延展性，在高溫下具有良好的物理化學穩定性。研究發現，位錯-β′-相相互作用對Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf_24?RHEA的機械性能具有關鍵作用。這些結果表明，自然混合傾向對加速高熵合金的發現是有效的。相關研究以“Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility”為題目，發表在Nature Materials上。（DOI: 10.1038/s41563-020-0750-4）

圖3?難熔元素中尋找成分的策略

Nature Materials：?可溶液處理的MOF用于多孔液體的混合基質膜

良好的分子腔和化學功能的結合使晶體多孔固體吸引了大量的技術應用，從催化到氣體分離。然而，與聚合物等其他廣泛應用的合成固體相比，結晶擴展固體缺乏可加工性阻礙了它們的應用。在這項工作中，阿卜杜拉國王科技大學Alexander Knebel?、Anastasiya Bavykina、Yury Lebedev等人證明了金屬有機框架，一種高晶體多孔固體，可以通過使用氮雜環碳烯配體的外表面功能化溶液處理。相對較大的ZIF-67納米顆粒(250 nm)的選擇性外表面功能化可以穩定具有永久孔隙性的可加工分散體。所得到的III型多孔液體既可以直接作為液體吸附劑使用，也可以與最先進的聚合物共同處理，生成具有優異機械性能的高負載混合基質膜，在丙烯與丙烷的分離方面具有出色的性能。期望這種方法可以擴展到其他金屬有機框架和其他應用。相關研究以“Solution processable metal–organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids”為題目，發表在Nature?Materials上。（DOI:?10.1038/s41563-020-0764-y）

圖4?原始和修飾后ZIF-67的比較

Nature Energy：可擴展太陽能生產甲酸鹽的分子工程光催化劑

收集太陽能將二氧化碳轉化為化學燃料是一項很有前途的技術，可以減少大氣中不斷增長的二氧化碳水平，減輕全球對化石燃料的依賴。然而，組裝高效和穩健的系統，以選擇性光轉換二氧化碳不犧牲試劑和外部偏置仍然是一個挑戰。在這里，劍橋大學的Erwin Reisner等人展示了一種光催化劑薄片，它可以將二氧化碳和水轉化為甲酸鹽和氧氣，這是一種潛在的可擴展的二氧化碳利用技術。將摻雜鑭和銠的SrTiO₃、鉬摻雜的BiVO₄、膦化Co(Ⅱ)雙(三吡啶)和RuO₂催化劑整合到一個金層上，從而制備出一個光催化器件。單片器件的轉換效率（太陽能到甲酸鹽）可以達到0.08±0.01%，同時甲酸鹽的選擇性可以達到97±3%。由于該設備是無線運行的，并將水作為電子供體，因此它提供了一種多用途策略，利用分子基混合光催化劑實現可伸縮和可持續的二氧化碳減排。相關研究以“Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water”為題目，發表在Nature?Energy上。（DOI: 10.1038/s41560-020-0678-6）

圖5?CotpyP負載SrTiO₃:La,Rh|Au|RuO₂-BiVO₄:Mo光催化劑片

Nature?Energy：碳納米管上分散酞菁鎳的分子工程用于選擇性CO₂還原

二氧化碳的電化學還原是一種很有前途的可持續燃料生產途徑。一個巨大的挑戰是開發低成本和高效的電催化劑，使快速轉化和高產品選擇性。南方科技大學Yongye Liang、Yang-Gang Wang教授聯合美國俄勒岡州立大學Zhenxing Feng教授等人設計了一系列以碳納米管為載體的酞菁鎳分子作為分子分散電催化劑(MDEs)，在穩定性、活性和選擇性方面優于聚合分子催化劑的二氧化碳還原性能。甲氧基組功能化的MDEs解決了原酞菁鎳催化劑的穩定性問題。在氣體擴散電極裝置中，在高達- 300 mA cm^?2的高電流密度下，以>99.5%的選擇性催化CO₂轉化為CO，并在- 150 mA cm^?2的條件下穩定運行40 h。明確的MDEs活性位點也有助于從原位X射線吸收光譜和理論計算中理解電催化性能的結構因素。相關研究以“Molecular engineering of dispersed nickel phthalocyanines on carbon nanotubes for selective CO₂?reduction”為題目，發表在Nature Energy上。（DOI:?10.1038/s41560-020-0667-9）

圖6?NiPc MDEs的結構和CO₂RR性能

Nature Nanotechnology：具有極高縱橫比的結構納米級金屬玻璃纖維

微型和納米級金屬眼鏡為基礎研究和醫療保健、微細工程、光學和電子領域的應用提供了令人興奮的機會。然而，與制造和利用納米級金屬玻璃相關的科學和技術挑戰仍未解決。在此，瑞士洛桑聯邦理工學院Fabien Sorin教授提出了一種簡單而可擴展的方法，用于制造納米級結構的金屬玻璃纖維，該方法基于其在具有匹配流變性的聚合物基質中的熱共拉伸，該方法得到有序和均勻的金屬玻璃，其特征尺寸可控制到幾十納米，寬高比大于10¹⁰。結合流體動力學和先進的原位透射電子顯微鏡分析來闡明流體不穩定性和結晶動力學之間的相互作用，決定了可實現的特征尺寸。產生的復雜的纖維結構，結合其他功能材料展示了一種可植入的金屬玻璃纖維探針，這種探針在體內測試了穩定的腦機接口，為創新的高性能和多功能神經探針鋪平了道路。相關研究以“Structured nanoscale metallic glass fibres with extreme aspect ratios”為題目，發表在Nature Nanotechnology上。（DOI: 10.1038/s41565-020-0747-9）

圖7?有序的微型和納米尺度MGs

Nature Nanotechnology：使用近場納米光學的絲蛋白可重寫光存儲介質

生物相容材料中的納米級光刻和信息存儲為諸如生物電子學和可降解電子學等傳統半導體制造技術無法使用的應用提供了可能性。蠶絲蛋白是一種以其強度和生物相容性而聞名的天然蛋白質，在這方面得到了廣泛的研究。在這里，德克薩斯大學奧斯汀分校Wei Li，中科院上海微系統與信息技術研究所陶虎，美國紐約州立大學石溪分校劉夢昆等介紹了使用蠶絲膜作為生物功能介質的納米蝕刻和數據存儲。利用尖端增強近場紅外納米蝕刻，展示了多種操作方法，并表征了絲的原位形貌和構象。特別地，在絲膜上構造了約35 nm分辨率的灰度和雙色調納米圖案，實現了數據的可讀寫。該絲膜材料能夠實現64 GB inch^-2的數據容量，在各種惡劣條件下保持長期穩定。另外，作為原理證明，其驅動器可以生物功能化，以顯示顯色反應，抵抗細菌感染和熱觸發，酶輔助分解。相關研究以“A rewritable optical storage medium of silk proteins using near-field nano-optics”為題目，發表在Nature Nanotechnology上。（DOI: 10.1038/s41565-020-0755-9）

圖8?在絲驅動器上寫入和擦除數據

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