NS年度封面匯總

黑天鵝事件頻發的2020年轉眼間就過去了。今年的科研界依然成果不斷，以材料為主題，我們篩選了Nature、Science的每期封面。通過這些精選NS封面，不僅可以回顧總結過去一年的重大研究成果，還能展望未來的研究趨勢。因此，讓我們一起來欣賞這些精美的封面吧。

1. 超快陶瓷合成

陶瓷因其高的熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性而廣泛應用于電子、儲能和極端環境。傳統的陶瓷燒結往往需要數小時的加工時間，這可能成為高通量發現先進陶瓷材料的障礙。美國馬里蘭大學胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大學、加州大學鄭小雨教授和加州大學圣地亞哥分校駱建教授團隊等人（共同通訊作者）等人報告了一種稱為超快高溫燒結（UHS）的陶瓷合成方法，該方法具有溫度分布均勻、高升溫（~10³?~ 10⁴℃/min）、高冷卻速率（高達10⁴℃/min）和高燒結溫度（高達3000℃）的特點。超高速的加熱速度和溫度使燒結時間達到了10秒左右，不僅在速度上遠超大多數傳統爐的燒結速度，還能避免揮發性元素的損失。在該方法中，研究人員直接將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩個加熱焦耳的碳條之間，這些碳條通過輻射和傳導迅速加熱，形成均勻的高溫環境，用于快速合成（固態反應）和反應燒結。在惰性氣氛中，這些碳加熱元件可以提供高達3000℃的溫度，這足以合成和燒結幾乎任何陶瓷材料。較短的燒結時間也有助于防止多層結構界面上的揮發性蒸發和不理想的相互擴散。此外，該技術可擴展的，因為加工過程與材料的內在特性脫鉤（與快速燒結不同），因此可以進行一般的快速陶瓷合成和燒結。UHS工藝還可與陶瓷前體的3D打印兼容，除了在多層陶瓷化合物之間形成良好的界面外，還可產生新穎的燒結后結構。該研究認為，超快高溫燒結技術作為該領域的一項突破，不僅對功能材料的制備具有普遍的適用性，而且在非平衡凝固新型材料合成應用上表現出了巨大的潛力

文獻鏈接：?https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521

2. 電極材料微結構缺陷的可逆演變

高能富鎳正極對先進的鋰離子電池來說意義重大，然而這類正極材料具有濕度敏感、副反應多和氣體生成等缺點。而通過減小相界和材料表面，單晶富鎳電極相對于聚晶電極來說可以一定程度上改善上述缺點。然而，高性能單晶富鎳正極的合成目前來說依舊困難重重。

美國太平洋西北國家實驗室的Jie Xiao（通訊作者）團隊利用單晶富鎳材料作為模型材料，通過觀察富鎳正極的變化來研究斷裂行為。研究發現，當材料充電并且去鋰時，能夠觀察到特異的相互面滑動（planar gliding）和微裂縫。而在放電過程中，這些現象就會翻轉，清除微裂縫的所有痕跡。研究人員通過建立擴散誘導應力模型來理解面滑動的起源，發現晶格中鋰原子濃度具有梯度變化現象，可誘導局部應力改變，從而促使可逆的微結構缺陷形成。借助這一研究，作者還提出了在工作電池中穩定富鎳正極的方法，從而有利于進一步挖掘富鎳正極材料的應用潛力。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313

3. 看見缺陷流動和生長

液晶中的定向拓撲缺陷也叫向錯（disclinations），已經可以在聚合物材料中或者通過分子局部取向的介觀模擬進行可視化。而加州大學默塞德分校的Daniel A. Beller和布蘭代斯大學的Zvonimir Dogic（共同通訊作者）等人則在活性、三維向列型液晶中對向錯的結構和動力學進行可視化，從而進一步觀測由微管束驅動的分子運動。為了達到這一目的，研究人員將微管束分散到膠體液晶中形成三維活性向列型液晶。繼而通過光片層顯微技術在單束級水平揭示這些活性液晶毫米級結構的時間演變過程。在這一過程中，研究人員可進一步直接觀測空間擴展拓撲缺陷的成核、形變、重組和崩塌。因此，文章認為該項工作為分析塊體各向異性系統的非平衡動力學提供了新的框架。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1120

4. 不均一的納米晶

對于納米顆粒的制備來說，一個主要的挑戰在于即使是均一尺寸的顆粒也會在原子排列和表面封端配體等方面存在分布。這就是說，同一合成批次的納米晶體通常也會在大小、晶格畸變和缺陷方面存在很小但可能至關重要的差異。這些差異目前只能通過高空間3D分辨的結構表征進行研究和理解。

為了進一步探索單個納米晶結構，韓國基礎科學研究所Jungwon Park、美國勞倫斯伯克利國家實驗室Peter Ercius和澳大利亞莫納什大學Hans Elmlund團隊（共同通訊作者）發展了一種“布朗單粒子重建”方法（原子分辨率3D SINGLE）。在這一方法中，研究人員利用原子級分辨的3D液體池電子顯微技術解析了單個膠體鉑納米晶的結構，從而揭示了溶液中配體保護的鉑納米晶的關鍵內源異質性。研究分析表征了結構簡并、晶格參數偏差、內部缺陷和應變等結構異質性，發現這些方面的差異對自由能具有巨大貢獻，從而為改進合成和理解當前材料的性能提供重要的指導和借鑒。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/368/6486/60

5. 工程化水解酶“清理”塑料

塑料廢物是目前主要的環境問題之一。在這其中，聚對苯二甲酸乙二酯（PET）作為最豐富的聚酯塑料，其回收過程容易損耗材料性能，并且極難被水解，屬于回收成本高、極難環境降解的一類塑料。為了解決PET的環保問題，法國圖盧茲大學的I. André、S. Duquesne以及A. Marty（共同通訊作者）等人描述了一種可用于分解PET的新型工程化水解酶。這種酶是在一種角質酶的基礎上進行改進而獲得的，在10小時內就可以將90%的PET進行解聚并降解為單體。在酶濃度為3毫克/克PET時，生產率可至每升每小時16.7克對苯二甲酸酯（200克/千克PET懸浮液），經過優化的酶性能優于迄今為止報道的所有PET水解酶。更重要的是，研究還發現經過酶解聚的PET廢料可以用來生產生物回收型PET瓶，其性能與石油化學合成的PET相當，從而可實現瓶子的重復使用，非常符合循環PET經濟的理念。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4

6. 披上“鎧甲”的超疏水表面

能夠保持干燥、具有自清潔能力并可以避免生物污染的超疏水表面在生物技術、醫藥以及熱傳遞等領域均有潛在的應用前景。這種超疏水表面通常需要經過低表面能化學和微納水平粗糙度的處理，以此盡可能減小液-固界面的接觸。然而，由于水滴只與極小部分表面接觸，導致表面在機械載荷下承受了較高的局部壓力，容易造成表面磨損，從而暴露基質材料，嚴重的甚至能夠改變表面的超疏水性質。因此，如何保證在擁有良好超疏水性能的同時，又能實現較強的機械穩定性，是當前超疏水材料面對實際應用亟待解決的關鍵難題。

芬蘭阿爾托大學的Robin H. A. Ras和電子科技大學的鄧旭（共同通訊作者）等人發文首次通過去耦合機制將超疏水性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度，并提出微結構“鎧甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。在這一方法中，研究人員在表面構造兩種尺度結構，納米結構可以提供對水的排斥能力，而微尺度結構設計則有助于表面長期維持超疏水性。其中，微尺度結構是相互連通的表面框架，為維持疏水能力提供幫助，同時還能保護容易因表面磨損現象而被破壞的納米結構。利用這一策略，研究人員在硅、陶瓷、金屬以及透明玻璃等基質材料上實現了超疏水表面，利用外力進行磨損破壞后，這些表面的疏水能力依然能夠保留下來。由此而制備的新型自清潔玻璃也為解決太陽能電池的顆粒物污染提供了新的思路。研究認為這一超疏水表面構建策略為長效維持材料的自清潔、抗污染等能力提供了有效的方法。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2331-8

7．?首次實現室溫超導性

數十年來，超導現象一直被限制在絕對零度附近。但隨著?140?°C級別的“高溫”超導體被發現，科學家們就開始追求更高溫度下的超導體。美國羅徹斯特大學的Ranga P. Dias（通訊作者）團隊首次獲得了在室溫下展現出超導性的材料。研究人員首先將硫、碳元素前驅體球磨成微米級顆粒并混合置入金剛石砧里，隨后在金剛石砧里充入氫分子，充當反應物和傳壓介質的雙重角色。利用兩顆金剛石的相互擠壓，施以超高壓力和激光輻照觸發混合物的化學反應，驅動硫硫鍵的光分解，從而形成硫自由基，并與氫分子反應生成硫化氫，繼而最終制備具有均勻透明的C–S–H晶體結構的碳質硫氫化系統。實驗檢測發現，該系統在140-275吉帕的壓力范圍內可展現出相對低溫的超導態，而當壓力增大至220吉帕以上時，超導轉變溫度急劇上升，最終在267?±?10吉帕處，超導轉變溫度可達到287.7 ± 1.2 開爾文（即15攝氏度左右），在該條件下，材料具有零電阻、在施加的磁場下臨界溫度的降低、冷卻時從材料內部排出磁場（邁斯納效應）等三個超導體特征，同時研究也證實了其從分子到金屬以及超導的一系列結構和電子相變。這些結果不僅打破了超導轉變溫度的世界紀錄，也表明引入第三個元素可以大大拓寬未來尋找新超導體的范圍，為高溫超導研究開辟了一個全新的探索區域。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

8．“制造”有序

手性是天然材料的一個特點，而在凝聚態物理中，晶體電子結構也可以展現出相似的幾何手性現象。這一現象又常常傾向于在晶格形成時就預先決定了，然而，在具有回旋有序性（gyrotropic order）材料當中，電子可以進行自發排列，從而賦予非手性結構以手性特征。這類有序性常常被認為是膽甾相液晶的量子等價物，至今還未在實驗中實現清晰觀測或者操縱。

美國麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero和Nuh Gedik（共同通訊作者）等人聯合報道了在過渡金屬硫化物（1T-TiSe₂）中實現光學手性誘導和回旋有序相觀測。在將1T-TiSe₂進行冷卻到臨界溫度以下的過程中，研究人員對其進行中紅外圓偏振光閃爍照射，使其傾向性地形成手性疇。實驗測量不僅證實了手性的存在，也表明手性方向取決于光學誘導過程。盡管對該疇壁的作用需要局部探針的進一步研究，但研究人員認為文章描述的方法在實現并控制量子材料的手性電子相方面具有一定的普適性。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2011-8

9. 邊界控制

作為晶體表面缺陷，晶界是微晶或者晶粒之間的界面，其能夠影響納米晶材料的許多性質。然而，晶粒的尺寸、形狀和取向變化多端，阻礙了對缺陷-材料性質關系的深入研究。而韓國基礎科學研究所的Taeghwan Hyeon和加州大學伯克利分校的A. Paul Alivisatos（共同通訊作者）等人闡釋了一種新型方法，可以合成具有均一晶界的多晶粒納米晶。研究在四氧化三鈷納米立方晶體的每個晶面控制四氧化三錳的沉積和生長，形成核殼結構的多晶粒納米晶。在這一結構中，每個外殼都是對稱相關的連通晶粒，而相鄰四氧化三錳晶粒之間的巨大幾何不匹配度則使氧化鈷的銳利邊緣處形成傾斜邊界。對該材料進行研究，文章總結了高度有序多晶粒納米結構的四個設計原則：一是襯底納米晶的形狀須能夠引導增生相的晶體學取向；二是襯底的尺寸必須小于位錯之間的特征距離；三是增生相和襯底之間的不兼容對稱性能夠增加晶粒之間的幾何不匹配度；四是對于近平衡條件下的晶界形成，外殼的表面能需要利用配體鈍化增加彈性能來進行平衡。基于這些設計原則，文章認為不僅能制備具有獨特晶界缺陷的多晶粒納米晶，也有助于為探索缺陷效應開辟道路。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1899-3

本文由NanoCJ供稿。

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