Science/Nature盘点: 一月材料领域重大进展

1、Science：氢键共价交联获得高机械强度，稳定可修复聚合物

东京大学Takuzo Aida（通讯作者）等人报道了低分子量聚合物，通过高密度氢键的交联，尽管扩散动力学缓慢，但依然能实现高机械强度与稳定修复。材料关键之一在于使用了硫脲，可以无规则的形成“之”字形氢键阵列，从而不会诱导形成不需要的结晶。另一关键点在于包含了的结构元素可促进氢键对的交换，使断裂部分受压缩能重新稳定聚合。

文献链接：Mechanically robust, readily repairable polymers via tailored noncovalent cross-linking（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aam7588）

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2、Science：构筑有序的宏观-微孔金属有机框架单晶

华南理工大学李映伟教授联合德州大学圣安东尼奥分校陈邦林教授（共同通讯）团队在金属-有机框架（MOF）单晶内构筑了高度取向和有序的微孔，以单晶形式开辟了三维有序的宏观-微孔材料（即同时含有宏观和微观孔的材料）的新纪元。该策略得益于聚苯乙烯纳米球模板和双溶剂诱导异质成核方法的强大成型效果。该过程协同地使MOFs在有序空隙内原位生长，使单晶具有定向的和有序的宏观微孔结构。与传统的多晶中空和无序孔ZIF-8相比，这种分层框架改善的扩散性质及其稳定的单晶性质使其具有优异的催化活性和对大分子反应的可回收性。

文献链接：Ordered macro-microporous metal-organic framework single crystals（Science，2018，DOI:10.1126/science.aao3403）

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3、Science：磁场调控手性磁性纳米颗粒和凝胶的光学活性

密歇根大学Nicholas A. Kotov和巴西Federal University of São Carlos大学André F. de Moura（共同通讯作者）等人合成了具有L-和D-半胱氨酸表面键的顺磁性Co₃O₄纳米颗粒，这些键赋予了晶体晶格的手性转变，而这种各向异性使得材料的手性光学活性增强，较非顺磁性纳米颗粒要高10倍。纳米颗粒凝胶对紫外光范围内圆偏振光束的透过率可以通过磁场可逆调控。这种现象同样在其他具有印迹氨基酸和其他手性键修饰晶格扭曲的纳米金属氧化物观察到。这系列手性陶瓷纳米结构和凝胶对于手性和磁性的连接以及推进相关新技术和领域的发展都是至关重要的。

文献链接：Chiromagnetic nanoparticles and gels（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aao7172）

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4、Science：DNA掺杂的“超晶格”

西北大学Vinayak P. Dravid、Chad A. Mirkin和Koray Aydin（共同通讯作者）等人开发了一种新技术，用于制造具有纳米结构的超材料，这种纳米结构可以被赋予独特的光学特性。通过使用附着在DNA链上的可以根据要求缩小或拉伸的金纳米粒子，该研究团队能够改变材料的颜色，通过此方法，可以在相对较大的区域内对粒子的精确布局施加大量的控制。改变所用纳米粒子的尺寸，形状和类型，可以设计出几乎具备所有需要的光学性能的全新超材料。这可能包括几乎可以转变成所有可见颜色的设备，甚至包括能够弯曲光线以“隐身”的设备。

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

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5、Science：镁合金塑性增强机制的起源与预测

洛桑联邦理工学院W. A. Curtin（通讯作者）报道了由于金字塔形<a + c>位错转换为固定结构，纯镁表现出较差的延展性。该研究说明了为什么镁可以通过特定的稀释溶质添加剂使其具有延展性，这使得<c + a>交叉滑移和倍增速率比有害的<c + a>转化速度快得多，使得其在加工过程中既能获得良好的质感，又能在变形过程中持续塑性变形。定量理论建立了延性作为合金成分函数的条件，与许多现有的镁合金的实验非常吻合，并且溶质增强滑移机制通过透射电子显微镜观察在镁-钇中得到证实。这种理论可以快速筛选出有利于高延展性条件的合金组成，并有助于开发高成形性的镁合金。

文献链接：Mechanistic origin and prediction of enhanced ductility in magnesium alloys（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aap8716）

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6、Science：电场调控纳米机器手自组装

慕尼黑工业大学Friedrich C. Simmel（通讯作者）等人制备了一个具有25 nm长机器手的55 nm × 55 nm的DNA基分子平台，具有的机器手可以延伸至400 nm，并且可以通过施加外电场调控。在毫秒内就可以实现对机器手在平台任意位置的精准和计算机调控。通过电场调控，机器手可以用于分子或纳米颗粒的传输。

文献链接：A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aao4284）

7、Science：通过光学自旋-轨道耦合的纳米手征能谷-光子界面

代尔夫特理工大学L. Kuipers（通讯作者）等人证实二维过渡金属硫化合物的能谷信息可以用光的自旋角动量编码并检测。使用等离子纳米线二硫化钨（WS₂）层系统证实了能谷依赖的光定向耦合。WS₂中的谷赝自旋耦合相同手性的横向光子自旋，耦合效率达到90±1%。研究结果为调控、检测和处理电子能谷和自旋信息提供平台。

文献链接：Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling（Science，2018，DOI: 10.1126/science.aan8010）

8、Nature：多重响应表面活性剂作用构建“百变”液滴

韩国基础科学研究所（IBS）Bartosz A. Grzybowski（通讯作者）等人最新报道合成了一种基于功能化纳米颗粒二聚物的表面活性剂，具备多重外部刺激响应的特点。这些表面活性剂及其包覆着的液滴，可以同时受外加磁场、光源及电场的作用。因而，受包覆的液滴可以组装成不同的多级结构，包括动力学意义上的作用，例如光能可以使液滴快速旋转。旋转的液滴可以对次邻位液滴传达机械力矩，这表现的就像机械齿轮系统。同时，由于界面作用，被不同表面活性剂包覆的液滴可以在外加电场的作用下形成复杂的、非球形的、不调和的多种结构。而这些液滴则能运载不同的化学物质，结合多重外部刺激可以用以控制液滴的方向、液滴间传输、物质混合以及最终一系列的化学反应。这种多重响应的表面活性剂以及包覆的液滴达到前所未有的灵活程度，可以控制、组装及相互反应。

文献链接：Systems of mechanized and reactive droplets powered by multi-responsive surfactants（Nature，2018，Doi:10.1038/nature25137）

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9、Nature：二维横向异质结构的一锅法合成

目前主要的单步或多步合成过渡金属硫族化合物横向异质结构的方法缺乏灵活可控性。佛罗里达大学Prasana K. Sahoo和Humberto R. Gutiérrez（共同通讯作者）等人报道利用单个非均质固体源，一步法连续合成由过渡金属二硫化物组成的横向异质结构。通过在水蒸气存在的条件下改变反应气体环境的组成，异质结的连续形成得以实现。并能选择性调控每个过渡金属前驱体水诱导的氧和汽化，以及基底的成核，从而致使过渡金属二硫化物连续性的边缘外延生长。该方法可扩展至其他二维材料异质结构的生长。

文献链接：One-pot growth of two-dimensional lateral heterostructures via sequential edge-epitaxy（Nature，2018，Doi: 10.1038/nature25155）

10、Nature：钙钛矿镍酸盐可用作盐水溶液中的电场传感器

普渡大学Shriram Ramanathan（通讯作者）等人报道了一种可以在电场驱动下发生水介导可逆相变的钙钛矿结构的镍酸盐材料SmNiO₃。这种强关联量子材料在盐水有很好的稳定性，抗腐蚀，能在室温下与周围的水交换质子同时发生电阻和光学性质的改变。可用于制作热敏电阻和pH传感器等，以监测海洋中由海洋生物和船只引发的电信号改变。

文献链接：Perovskite nickelates as electric-field sensors in salt water（Nature，2018，Doi: 10.1038/nature25008）

11、Nature：铯铅卤钙钛矿中明亮的三重态激子

苏黎世联邦理工学院Maksym V. Kovalenko、David J. Norris和Gabriele Rainò以及美国海军科学研究实验所Alexander L. Efros（共同通讯作者）等人报道了铯铅卤钙钛矿（CsPbX₃, X=Cl, Br, I）中最低能量激子涉及高发射三重态。并通过等效质量模型和群论证明该状态存在的可能性，而后将模型应用于 CsPbX₃ 纳米晶体。最低能量激子的明亮三重态特征解释了材料的异常发光。低温荧光谱中精细结构进一步证实了三重态激子的存在。

文献链接：Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites（Nature，2018，Doi: 10.1038/nature25147）

本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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