Nature & Science：7月材料领域科研成果汇总

作为标杆科技发展前沿的Nature & Science顶刊，材料人们也万万不可放过啊！鉴于假期已步入倒计时，便容小编为你们简单细数一下7月间荣登顶刊的材料大文。

1. Science:新型“相间应变”策略构建具备巨大极化强度的铁电薄膜

北京科技大学的陈骏教授以及邢献然教授（共同通讯作者）等人提出了新型“相间应变”的策略并以此在超四方性薄膜上实现了巨大极化。该研究发现利用晶格结构相似、晶格参数不同的两种材料，在外延生长时晶界处的晶格参数是相互匹配的，从而可在材料间产生各向同性应变，即“相间应变”。利用这种“相间应变”策略，研究人员在PbTiO₃外延复合铁电薄膜上引入高负压从而实现了巨大的极化性能，其剩余极化强度可达到236.3微库伦/cm²，是现有已知铁电体的2倍。此外，这种薄膜的超四方性相在725℃的高温下依然稳定，而对应块体的相转变温度却只有490℃。

文献链接：Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan2433）

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2. Science: Dirac源场效应晶体管作为节能、高性能的电子开关

北京大学的张志勇-彭练矛课题组在Science上发表文章，题为：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches。团队表明,具有在费米能级附近比传统的场效应晶体管更窄的电子密度分布的石墨烯Dirac源(DS)可以降低SS。在室温下具有碳纳米管通道的DS-FET能够提供平均40mV/decade，并且在60mV/decade下高器件电流I60达到了40 μA/μm。与最先进的硅14纳米节点FETs相比，该团队在更低的0.5V（硅的电压为0.7伏）应用偏压下得到了一个类似的on状态电流，而在off状态下，低于35mV/decade。

文献链接：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: 高速率锂离子能量储存的铌钨氧化物

剑桥大学的Clare P. Grey（通讯作者）团队提出了利用微米级的铌钨氧化物材料（Nb₁₆W₅O₅₅以及Nb₁₈W₁₆O₉₃）来替代纳米颗粒同样可以显著优化电池性能。该研究证明了只要利用适当的主晶格适，材料的尺寸、结构甚至多孔性均不是实现高速充放电电池电极的必要性质。相反地，研究人员利用克级固态合成法制备的铌钨氧化物块体材料，可高效利用其超结构模块来稳定锂嵌入过程中的材料主体结构。因此这种材料不仅在锂离子扩散系数上优于传统的电极材料（Li₄Ti₅O₁₂）数个数量级，同时还能保持优于纳米材料的高容量以及高锂存储性能。这一铌钨氧化物材料的出现打破了通过构造纳米电极材料来优化电池中离子扩散速率和电学性能的传统方法，为制备高性能电池提供了新的策略。

文献链接：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：过渡金属三硫化物的单链极限扭转不稳定性

美国加州大学伯克利分校 、劳伦斯伯克利国家实验室Alex Zettl教授（通讯作者）的带领下，与分子铸造和人工光合作用联合中心合作，报道了在一个链限制内的一维过渡金属三硫族化物NbSe₃的合成，包括实现分离的单链，链被包封在保护性氮化硼纳米管（BNNT）或碳纳米管（CNT）外壳中。空间限制促进并稳定亚晶胞NbSe₃的生长，直至三重，双重甚至单原子链。封装还可以保护链条免受环境氧化，并且易于处理和表征。链条在管内可移动。即使在单链限制下，也观察到具有规则周期性的不寻常的螺旋扭转波。电子结构理论计算表明NbSe₃的电子能带结构高度依赖于链数和方向，扭转波的不稳定性是由链的充电驱动的。在链和纳米管鞘之间发现非常少的共价键合，导致包封链的相对不受阻碍的纵向和扭转动力学。

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

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5. Science: COF的单晶XRD结构表征手段

在兰州大学王为教授，北京大学孙俊良教授和美国加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi教授（共同通讯作者）的带领下，与伯克利全球科学研究所，百时美施贵宝公司和天津化学化工协同创新中心合作，报告了一种使用苯胺作为调制剂来生长由强亚胺键（~600 kJ/mol）固定在一起的高质量三维（3D）多孔COF大单晶。苯胺具有与COF成分相似的反应性，但是它是单官能的，并且作为成核的抑制剂，因此改变了结晶过程。高质量的晶体允许收集高达0.83Å分辨率的单晶X射线衍射数据，从而产生明确的解决方案和精确的各向异性细化。具体地，破解亚胺基COF-300中的相互渗透程度，并确定水合形式的COF-300中的水的排列。COF-303的反向亚胺连接性与非反向类似物不同，并且获得了等网状扩展的COF（LZU-79）的晶体结构。此外，团队用罕见的lon-b-c3拓扑结构解决并改进了新合成的手性LZU-111的单晶结构。

文献链接：Single-crystal x-ray diffraction structures of covalent organic frameworks（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat7679）

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6. Nature: Weyl 声子晶体表面声波的拓扑负折射

报道了由Weyl声子晶体所承载的拓扑表面波的负折射，这是最近发现的Weyl半金属的声学模拟物。发生这种拓扑负折射的界面是分离晶体不同侧面的一维边缘。通过剪裁Weyl声子晶体的表面端部，可以设计表面声波的恒定频率轮廓，以在某些界面产生负折射，同时在同一样品内的不同界面实现正折射。相比更为常见的表面波行为，由于恒定频率轮廓的开放性，报道的晶体可以防止不必要的反射，这是Weyl晶体拓扑保护表面状态的标志。

文献链接：Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal（Nature 560, 61–64 (2018)）

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7. Nature: 二维材料到深亚分辨率的电子影像

文章讲述将电子显微镜像素阵列检测器与所需动态范围相结合，记录透射电子的完整分布，以及从全相位空间恢复相位信息，研究人员获得了远远超过传统数值的空间分辨率。在80千电子伏特的束能下，研究的ptychographic重建基本上改善了MoS₂中单原子缺陷的图像对比度，达到了接近5α的极限，相当于阿贝衍射限制分辨率达到0.39 Å。常规成像方法仅达到0.98 Å。

文献链接：Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution（Nature 559, 343–349 (2018)）

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8. Science：非金属基三维钙钛矿铁电体

在东南大学游雨蒙教授和熊仁根教授（共同通讯作者）的带领下，与南昌大学和南京航空航天大学合作，使用分子设计策略并精心选择有机阳离子来开发一系列无金属ABX₃型3D钙钛矿铁电体，其通式为A(NH4)X3（其中A是二价有机阳离子，X是Cl，Br或I）。团队合成了该系列的23个不同样品，具有一系列不同的结构和相变温度。在第一个A(NH4)X3钙钛矿中，MDABCO-NH4I3（MDABCO是N-甲基-N'-二氮杂双环[2.2.2]辛铵）具有448 K的高相变温度（T₀）和22μC/cm²的大P_s，与BTO性能相当。此外，使用压电响应力显微镜（PFM），发现了具有八个偏振方向的各种铁电畴的共存，并且证明了通过施加电场可以灵活地旋转偏振方向。团队的策略证明了高性能无金属铁电钙钛矿的可行性。在没有金属元素的情况下，预期这些有机物与其无机和有机-无机对应物相当，通过高柔韧性，可调节的结构-性质关系，可能的溶液和真空工艺以及有机材料的生物相容性而得到增强。这些属性使其在柔性设备，软机器人，生物医学设备和其他应用中具有吸引力。

文献链接：Metal-free three-dimensional perovskite ferroelectrics（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aas9330）

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9. Nature：电控制水渗透石墨烯氧化物膜

该文章创造性地在氧化石墨烯中加入碳导电丝，被电场击穿的导电丝会释放微弱的电流，并产生一个局域电场可使得水分子与氧化石墨烯进行分离，从而达到水的渗透精确控制。早在此前氧化石墨烯薄膜就已经被用于水渗透的研究，此次R.R.Nair教授通过导电丝的引入使得氧化石墨烯薄膜的水渗透能力可以通过电场进行精确的调控（可实现从快速渗透到完全关闭渗透的转变）。该工作将在人工生物系统、组织工程和智能过滤膜领域产生极大的实际意义。

文献链接：Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes （Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0292-y）

材料牛资讯详戳：电场可控的精确水渗透技术-水渗透薄膜技术的大突破

10. Science: 铈光催化作用甲烷、乙烷和更高烷烃的选择性功能化

上海科技大学物质科学与技术学院左智伟科研团队在光促进甲烷转化这一重要能源化工领域取得突破性进展：他们成功发展了一种廉价、高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系。这一基础研究领域的突破，解决了利用光能在室温下把甲烷一步转化为液态产品的科学难题，为甲烷转化成高附加值的化工产品（例如火箭推进剂燃料）提供了崭新和更加经济、环保的解决方案。同时，对这一高效、可持续的光促进铈催化模式的深入研究和进一步推广应用，将为我国高效利用特有的稀土金属资源提供新的思路和前景。

文献链接：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，材料牛整理编辑。

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