100秒视频尽览上半年全球华人发表在nature/science的材料科研论文
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本视频中收录的论文如下：
【一月份】
1、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）
【二月份】
2、Nature：小小木材到高性能结构材料的飞跃
马里兰大学胡良兵、Teng Li（共同通讯）等人研发出了一种简单而有效的策略，将块状天然木材直接转变成高性能结构材料，其强度，韧性和防弹性提高了十倍，并具有更大的尺寸稳定性。通过在NaOH和Na2SO3的含水混合物中的沸腾过程从天然木材中部分去除木质素和半纤维素，随后进行热压，导致细胞壁的完全塌陷和天然木材与高度一致的纤维素纳米纤维的完全致密化。这种策略被证明对各种木材都是普遍有效的，该加工木材具有比大多数结构金属和合金更高的比强度，使其成为低成本，高性能，轻量级的替代品。
文献链接：Processing bulk natural wood into a high-performance structural material（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25476）
3、Science: 电子束敏感材料的原子级分辨率TEM成像
阿卜杜拉国王科技大学的Daliang Zhang，Kun Li以及韩宇教授（共同通讯作者）发展了一系列策略来解决目前电子束敏感材料高分辨成像遇到的挑战。该课题组设计方法在限制整体电子剂量的前提利用直接观测电子计算（DDEC）相机分析了包括多种金属有机框架材料在内的一系列电子束敏感材料。利用这类策略，研究人员可观察到UiO-66中的苯环以及表面无配体和表面配体封端的共存现象。因此，该成果证明利用上述策略可以实现对电子束敏感材料的原子级分辨率的透射电子显微成像。
文献链接：Atomic-resolution transmission electron microscopy of electron beam–sensitive crystalline materials（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aao0865）
4、Nature：量产弹性超敏电子皮肤
斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）等人设计了能实现量产和均一性制备各种本征具可拉伸性的电子聚合物的方法，所制备的电子设备能实现本征弹性聚合物晶体管阵列密度高达347个晶体管每平方厘米。同时拉伸应变1000次晶体管的导电能力及灵敏度等也没有明显下降，能够与传感器阵列和数字电路等构建弹性可拉伸电子皮肤。所报道的制备方法同样能适用于其他本征弹性聚合物材料的应用以制备新一代弹性可拉伸电子皮肤设备。
文献链接：Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array（Nature，2018，DOI:10.1038/nature25494）
【三月份】
5、Nature：石墨烯中的新电子态
美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）和曹原（第一作者）等人报道了当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”时，由于强的层间耦合，产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦。这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态，产生的新电子态是Mott绝缘体态，来源于电子之间的强排斥作用。魔角扭曲双层石墨烯的独特性质可能为无磁场的二维平台上的多体量子相位开启新的运动场。
文献链接：Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices（Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature26154）
6、Nature：魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性
美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授（通讯作者）和曹原（第一作者、共同通讯作者）等人报道了堆叠具有小扭曲角的两个石墨烯片中二维超晶格，产生一种全新的电子态——超导态。当旋转角度小到魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。
文献链接：Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices（Nature, 2018, DOI: 10.1038/nature26160）
7、Nature：单层原子晶体分子超晶格
加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授、Yu Huang、湖南大学Lei Liao（共同通讯）等人道了一种电化学分子嵌入方法，用于一类新的稳定超晶格，其中单分子原子晶体与分子层交替。使用黑磷作为模型系统，插入十六烷基三甲基溴化铵产生单分子磷分子超晶格，其中层间距离是黑磷中的两倍以上，有效地分离了磷杂环单分子层。
文献链接：Monolayer atomic crystal molecular superlattices（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25774）
8、Science：铁基超导体表面拓扑超导性的研究
东京大学物性研究所的张鹏、辛埴和中科院物理研究所的丁洪（共同通讯作者）等人通过使用高分辨率的角分辨光电子能谱发现铁基超导体FeTe1-xSex在费米能级处具有狄拉克锥型能带，这个能带的电子自旋具有螺旋结构，并且在超导转变温度Tc以下打开s波超导能隙。他们的研究表明FeTe0.55Se0.45的表面上存在二维拓扑超导态，这为实现马约拉纳束缚态提供了一个制备简单且超导转变温度比较高的平台。
文献链接：Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan4596）
9、Science：合成八种元素的高熵合金
马里兰大学胡良兵、伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、约翰霍普金斯大学Chao Wang、麻省理工大学Ju Li（共同通讯作者）等人研究通过热冲击负载在碳载体上的前体金属盐混合物，提出了通过将八种不同元素合金化成单相固溶体纳米颗粒（通常称为高熵合金纳米颗粒（HEA-NP）。通过控制碳热激发（CTS）参数（底物，温度，冲击持续时间和加热/冷却速率）来合成具有期望的化学（组成），尺寸和相（固溶体，相分离）的宽范围的多组分纳米颗粒。
文献链接：Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles（Science, 2018, DOI:10.1126/science.aan5412）
【四月份】
10、Nature：合成各类二维金属硫化物的全能方法
新加坡南洋理工大学的刘政教授，日本国家高等工业科学技术研究所的林君浩博士以及北京中科院物理所的刘广同教授（共同通讯作者）的联合团队证明熔融盐辅助化学气相沉积可广泛应用于合成各种原子级厚度的二维过渡族金属硫族化合物（TMDCs）材料，通过熔融盐辅助的化学气相沉积法合成了47种二维TMDCs材料，其中包括32种二元化合物(基于过渡金属Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Pt、Pd和Fe )，13种合金 (包括三元、一元和一元)，以及两种异质结构化合物。单层NbSe2和MoTe2样品中的超导性以及在MoS2和ReS2中的高迁移率的证据证明，该团队采用此方法合成的大多数材料都是可用的。
文献链接：A library of atomically thin metal chalcogenides（Nature，2018，DOI: 10.1038/s41586-018-0008-3）
11、Science：弹性变形的金刚石
香港城市大学张文军、陆洋、麻省理工学院Ming Dao、南洋理工大学Subra Suresh (共同通讯）研究团队展示了纳米级（〜300nm）单晶和多晶金刚石的超大、完全可逆的弹性形变。对于单晶金刚石，最大拉伸应变（高达9％）接近理论弹性极限，相应的最大拉伸应力达到约89至98GPa。在结合系统计算模拟和表征变形前和变形后结构特征之后，研究者将同时存在的高强度和大弹性应变归因于小体积金刚石纳米针与微米级和更大的试样相比缺陷少，以及相对光滑的表面。该发现通过对金刚石纳米结构、几何形状、弹性应变和物理性质进行优化设计，为新应用提供了潜力。
文献链接：Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar4165）
12、Science：循环可回收塑料
科罗拉多州立大学陈优贤（通讯作者）团队研究通过引入基于γ-丁内酯（GBL）的聚合物体系，发现其在α和β位置处具有反式环融合。这种反式环化合物通常被认为是在室温无溶剂条件下容易聚合和解聚的GBL环，以产生高分子量聚合物。 该聚合物具有增强的热稳定性，并且可以通过热解或化学溶解反复和定量地再循环回其单体。
文献链接：A synthetic polymer system with repeatable chemical recyclability（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar5498）
【五月份】
13、Science：具有纳米尺度图灵结构的聚酰胺膜
浙江大学张林教授（通讯作者）课题组研究尝试在水相中加入一定量的聚乙烯醇，由于聚乙烯醇和活性剂之间的氢键作用增加溶液粘度，降低了活性剂的扩散速率，从而使得活性剂与抑制剂之间的扩散系数差异满足图灵结构的产生条件。以此现象为基础，该研究报道了两种不同的图灵结构，其具有良好的透水性和盐选择性，在水净化方面具有重要的应用价值。
文献链接：：Polyamide membranes with nanoscale Turing structures for water purification (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar6308)
14、Science：增强纳米尺度金属晶粒的热稳定性
中科院沈阳金属研究所卢柯研究员和李秀艳研究员团队（共同通讯作者）报道了小于临界尺寸的金属晶粒的热稳定性随着其晶粒尺寸的减小而增强。研究团队使用纯度为99.97％，表面为粗晶的不含氧Cu棒，在液氮温度下使用表面机械研磨处理（SMGT）以产生梯度纳米表面层，以此形成平均尺寸为〜40±2 nm和长径比为1.7的随机取向晶粒。对这一类金属晶粒的研究表明，纯铜或镍在低温下塑性形变产生纳米级晶粒的过程导致部分位错活化，从而使纳米晶粒之间形成低角度晶界，导致纳米晶晶界自动从高能态演变到低能态，最终增强了热稳定性。
文献链接：Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size（Science，2018, DOI: 10.1126/science.aar6941）
15、Nature：逼近范德瓦耳斯金属-半导体结中的肖特基-莫特极限
加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授、黄昱教授（共同通讯作者）团队报道了通过将金属薄膜原子级地层压到二维半导体上来创建范德瓦耳斯金属-半导体结的方法。通过这种方法创建的界面不存在化学键合作用，因此可以避免化学性损伤。而由于接近肖特基-莫特极限的肖特基势垒高度由金属功函数决定，因此该研究利用具有与MoS2价带边缘匹配的功函数的金属膜（Ag或Pt）获得了开路电压为1.02V的Ag-MoS2-Pt光电二极管，不仅在实验上验证了理想金属半导体连接点的基本极限，而且还定义了可用于高性能电子和光电子的金属集成的高效无损的策略。
文献链接：Approaching the Schottky–Mott limit in van der Waals metal–semiconductor junctions（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0129-8）
16、Science：获得最大ZT值的SnSe晶体
北京航空航天大学大学赵立东和南方科技大学何佳清（共同通讯）等人在773K温度下实现了在平面外的n型硒化锡（SnSe）晶体中的最大ZT值（〜2.8±0.5）。层状SnSe晶体的热导率在面外方向[二维（2D）声子传输]中是最低的。而本研究用溴掺杂SnSe以制备具有重叠层间电荷密度（3D电荷输运）的n型SnSe晶体，连续的相变增加了结构对称性并使两个会聚导带发散。这两个因素同时改善了载波的移动性，并且保留了很大的Seebeck系数。该研究结果可应用于二维分层材料，并提供了一种新的策略来增强平面外电输运性能而不降低热性能。
文献链接：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）
【六月份】
17、Science：仿生触觉神经系统
斯坦福大学的鲍哲楠教授、首尔大学的Tae-Woo Lee以及南开大学的徐文涛（共同通讯作者）等人报道了一种新型的基于柔性有机电子器件的仿生触觉神经系统。这一系统由电阻式压力传感器、有机环振荡器以及突触晶体管组成，压力传感器接受的触觉信号，随后被有机环振荡器收集，最后该信号可被突触晶体管转变为电流信号，最终完成类神经系统行为。这一仿生神经系统具有非常高的灵敏度，将在机器人手术、义肢感触等领域发挥重要作用。
文献链接：A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aao0098）
18、Nature：石墨烯-氮化物微谐振器中的栅极可调谐频梳
加州大学洛杉矶分校的姚佰承、Shu-Wei Huang、Chee Wei Wong以及段镶锋（共同通讯作者）团队将栅极可调的光导与氮化硅光子微谐振器耦合，通过改变费米能级来调制其二阶和更高阶色散从而证明并实现了石墨烯基光学频率梳的门控腔内可调谐性。研究进一步证明了从周期性孤子晶体到具有缺陷的晶体的电压可调谐转换，这种结合了单原子层纳米科学和超快光电子的异质石墨烯微腔将有助于提高我们对动态频率梳和超快光学的理解。
文献链接：Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators（Nature，2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0216-x）
19、Nature：具有程控铁磁畴的3D打印软材料
麻省理工学院赵选贺（通讯作者）等报道了软材料中程控铁磁畴的3D打印，通过磁驱动实现复杂3D形状之间的快速转换。研究方法是基于含有铁磁微粒的弹性体复合材料的直接墨水书写。通过在打印时向分配喷嘴施加磁场，研究人员沿着施加的场重新定向粒子以将打印的细丝赋予图案化的磁极性。这种方法能够在复杂的3D打印软材料中程控铁磁畴，从而实现一系列先前无法获得的转换模式。
文献链接：Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0185-0）
20、Science：狄拉克源晶体管
北京大学的张志勇教授、彭练矛教授（通讯作者）课题组团队提出了一种可以替代MOS晶体管的新型超低功耗场效应管。这种场效应管采用具有特定掺杂的石墨烯作为一个“冷”电子源，用半导体碳纳米管作为有源沟道，并以高效的顶栅结构构建出狄拉克源场效应晶体管，最终在实验上实现了室温下40 mV/DEC左右的亚阈值摆幅。狄拉克源晶体管的发明在保持传统MOS晶体管的高性能的前提下突破了晶体管室温亚阈值摆幅的热发射理论极限，有望将集成电路的工作电压降低到0.5 V及以下，为未来的集成电路技术提供解决方案。
文献链接：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aap9195）
21、Science：范德华异质结构中的巨隧道磁电阻
在美国华盛顿大学Xiaodong Xu教授，香港大学姚望教授和美国卡耐基梅隆大学Di Xiao（共同通讯作者）等报告了基于范德华（vdW）异质结构的多自旋过滤器磁隧道结（sf-MTJs）的基本结构，其由两个原子级薄CrI3隧道势垒隔开的几层石墨烯接触组成。该团队展示了隧道磁阻随着CrI3层厚度的增加而急剧增加的现象，特别是在低温下使用四层sf-MTJs的磁性多层结构达到创纪录的19000％。使用磁性圆二色性测量发现将这些现象归因于原子级CrI3的本征逐层反铁磁有序性。该团队的工作揭示了将磁信息存储推向原子极限的可能性，并且突出显示了CrI3作为vdW异质结自旋电子器件的最高磁隧道势垒。
文献链接：Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aar4851）
22、Science：钙钛矿太阳能电池新突破
北京大学朱瑞研究员、牛津大学Henry J. Snaith教授和英国萨里大学张伟博士（共同通讯作者）等报道了通过使用溶液处理的二次生长（SSG）技术，在膜的顶部表面附近提供更宽的带隙区域，并形成更多的n型钙钛矿膜，从而导致开路电压（Voc）大幅增加。该团队使用非化学计量的配方(FA0.95PbI2.95)0.85(MAPbBr3)0.15制备混合阳离子铅混合卤化物钙钛矿层，这种方法产生了更宽的带隙顶层和更多的n型钙钛矿薄膜，从而减少非辐射复合，导致Voc增加高达100毫伏。团队在不牺牲光电流的情况下实现了1.21V的高Voc，对应于1.62V带隙下0.41V的电压不足。这一改善使得最大功率点的稳定输出功率接近21％。
文献链接：Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aap928
2018年 nature/science大盘点：
六月进展 | 五月进展 | 四月进展 | 三月进展 | 二月进展 | 一月进展
本文由材料人编辑部学术组木文韬提供，材料牛编辑整理。
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