顶刊动态 | Science/Nature子刊/AM等纳米材料学术进展汇总【160611期】

1、Science：光子自旋控制多功能共用孔径天线阵列

图1 共享孔径概念的示意图

在雷达应用领域，开发的共享孔径天线阵列是增加光电功能的一种有效方法，它是在共享孔径中可以同时执行一系列任务的多功能平面系统。尤其是基于稀疏相控阵天线的现代射频传感、通信、成像系统在不同的频带、偏振、扫描方向等条件下均能被控制。共享孔径概念和自旋轨道相互作用所产生的几何相位现象之间的联系提供了一个合成光子自旋控制多功能超材料表面的方法，揭示了多功能波前控制的自旋的方式。

以色列理工学院的Elhanan Maguid（第一作者及通讯作者）等人采用薄化技术合成了共享孔径，并且研究了交叉稀疏的纳米天线基体和自旋非对称谐波响应，从而实现螺旋度控制多个结构化波阵面，如携带轨道角动量的涡旋光束。通过使用复用几何相位谱同时测量光谱特性和光的偏振态，在集成芯片上进行偏振光谱分析。共享孔径超材料表面的平台开辟了一条新型纳米光子功能化的路径。

文献链接：Photonic spin-controlled multifunctional shared-aperture antenna array（Science，2016，DOI:10.1126/science.aaf3417）

 2、Nature Communications：粘弹性剪切处理使纳米颗粒大范围有序化

图2 胶体与颗粒系统的聚合物蛋白石比较

从胶体到颗粒体系，具有纳米结构特性的材料可以组装成普适性的复合材料。目前，虽然可以精心设计出各种纳米颗粒，但将其组装成有规律的超结构和光子材料仍然具有挑战性。

剑桥大学的Qibin Zhao和 Jeremy J. Baumberg（通讯作者）等人展示了在辊轧过程中，如何使用弯曲引起的振荡剪切技术来堆叠聚合物纳米颗粒的柔性膜。对于亚微米级球形纳米颗粒而言，这种技术使得弹性光子晶体即聚合物蛋白石表现出极强的可调结构色。随着振荡应变振幅达到300%，结晶先壁上开始，然后迅速发展横穿过整个块体，但也就局限于五个主体中振荡。通过双向剪切和交换两平面之间的方向可增加随机六边形密排层结构。他们的理论框架解释了即使扩散完全不存在，随着每层的有序性增加，剪切粘度也会逐渐减少。粘弹性介质剪切排序的这个一般原则提供了制造光子材料的新方法，并且可以作为制备有序纳米颗粒的通用工具。

文献链接：Large-scale ordering of nanoparticles using viscoelastic shear processing（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11661）

3、Advanced Materials：压电效应调制AlGaN/AlN/GaN异质结构微米线电子气

图3  AlGaN/AlN/GaN异质结构微米线的结构特征

一维半导体纳米线（NWs）如发光二极管、激光器、场效应晶体管、纳米发电机等由于其独特的结构和相应平面的一维量子限阈效出现，增加了NWs的流动性，这引起了人们对它应用的广泛关注。然而，由于带电掺杂中心的散射造成的载流子迁移率退化，长期以来一直是掺杂NWs器件实际应用不可避免的障碍。为了克服这个问题，对半导体异质结构纳米线中观察到的低维载流子（电子或空穴）气体，如Ge/Si，AlGaAs/AlGaAsh和AlGaN/AlN/GaN，进行了深入的研究。在这几种Ⅲ-氮化物异质结构中，AlGaN/GaN由于本征极化强，创造出异质结电子气（HEG），被广泛应用于高电子迁移率晶体管（HEMT）和其他高性能量子器件中。

最近，华南师范大学的Shuti Li（通讯作者）和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的Zhong Lin Wang（通讯作者）等人利用压电效应改变HEG相应的物理性质和基于HEMTs的AlGaN/GaN异质结器件的电输运性质。这种方法是一种科学而又全新、应用简单的技术，在设备制造过程中不增加额外成本。这使人们对压电效应调制低维电子气异质结构纳米材料有了更加深入的理解，指明了其在HEMs和MEMS/NEMS中的潜在应用。

文献链接：Piezotronic Effect Modulated Heterojuction Electron Gas in AlGaN/AlN/GaN Heterostructure Microwire （Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601721）

4、JACS：图案化石墨烯的Diels-Alder反应

图4 晶体结构、拉曼光谱表征及DA反应示意图

作为一个高度共轭的sp²碳原子组成的二维原子晶体，石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，并展现出了巨大的应用前景。化学功能化是控制能带结构、创建新的石墨烯衍生物和操纵石墨界面特性的有前途的方法之一。

中国科学院化学研究所的王栋、陈传峰和万立骏（通讯作者）等人设计了具有两个二氢萘骨架的顺式二烯烃，通过Diels-Alder（DA）反应来修饰石墨烯表面。部分二烯基团引入到非平面分子结构中形成顺式构象，能快速（5分钟）在石墨烯和二烯组之间发生DA反应。亚微米分辨率的图案化石墨烯可以通过在室温下将聚合物（甲基丙烯酸甲酯）掩蔽的石墨烯浸泡在羟基取代顺式二烯溶液中得到。在较高温度下进行反应，可进一步控制功能化程度。本研究结果揭示了石墨烯功能化过程对分子构象的影响，并提供了一个有效简便的石墨烯功能化方法。

文献链接：Click and Patterned Functionalization of Graphene by Diels-Alder Reaction （JACS ，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b02209）

5、ACS Nano：纳米结构bijel纤维的原位力学测试

图5 bijel纤维的抗张强度测试

双连续界面夹层乳胶（bijels）是一种具有独特结构、力学和输运性质的软质材料，在医疗保健、食品、能源及反应工程等领域有着广泛的应用前景。为了实现其潜在应用价值，就需要掌握制备、表征和操纵bijel力学性能的方法。

来自美国宾夕法尼亚大学的Daeyeon Lee和Kathleen J. Stebe（通讯作者）等人开发了一种基于溶剂转移诱导相分离（STRIPS）的方法，利用微流控平台及一批液体和纳米颗粒制备出分层结构的bijel纤维。研究人员介绍了一种可表征bijel纤维在微流控装置中的形成初期和末期力学性能的原位技术。通过操控施加于纤维上的流体应力，将其置于张力下，直到断裂，分析应力场可以推断出断裂强度；随纳米颗粒含量不同，断裂强度可高达几千帕。这些发现拓宽了 bijels纤维的潜在应用。该原位力学表征方法也适用于其他由水凝胶、毛细管悬浮液、胶体凝胶、高相乳液或高内相乳液组成的软纤维材料。

文献链接：In Situ Mechanical Testing of Nanostructured Bijel（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b02660）

6、Advanced Materials：具有超低电渗滤阈值的凝胶–石墨烯纳米复合材料

图6 凝胶-石墨烯纳米复合材料薄片的制备过程示意图

随着生物纳米技术的发展，导电生物高分子纳米复合材料（CPCs）的应用日益广泛。CPCs材料是由导电填料嵌入绝缘的生物高分子基质中制备而成。为了制备具有更低的电渗滤阈值的CPCs材料，就需要适当的分散这些纳米导电粒子。对于石墨烯基CPCs材料，为了保证其生物活性，同时改善它的机械性能、电性能和功能性，可以将石墨烯材料分散进入生物高分子基质中。凝胶作为一种结构蛋白，具有尚未被开发的广阔前景，可应用于制备具有较低电渗滤阈值石墨烯基CPCs凝胶材料，使材料具有优异的导电性、生物降解性以生物相容性。

来自德黑兰大学和芝加哥大学的Nader Taheri Qazvini（通讯作者）及苏黎世联邦理工学院的Raffaele Mezzenga（通讯作者）等人采用一种新颖的制备方法，制备了具有良好生物相容性和导电性的聚合物纳米复合材料，其石墨烯纳米颗粒在凝胶基体中分散性良好。该纳米复合材料的电学性能优于前人的文献报道值，其渗流阈值比文献报道的石墨烯纳米复合材料的最低值（0.06 vol%）以及导电生物高分子纳米复合材料的最低值（0.15 vol%）还要低。这一前所未有的低阈值为寻找光学透明电极等提供了新的机会。此外，由于凝胶基质的水吸附特性，相应的石墨烯纳米复合材料可用于生物传感器和由相对湿度变化而引发的刺激响应系统等。

文献链接：Gelatin–Graphene Nanocomposites with Ultralow Electrical Percolation Threshold（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601115）

7、AFM：二维插层配位聚合物改性超细合金纳米粒子及其催化性能研究

近日，新加坡国立大学化学与生物分子工程系的曾华淳团队在国际著名期刊Advanced Functional Materials上报道了一种制备支撑型多金属合金纳米粒子的新方法，突破了传统方法的局限性。

支撑型多金属合金纳米粒子由于具有其组成金属的多功能性，以及显著的增强了物理化学性能和一些甚至其原始组成金属不具备的优异性能，从而使得其具有在多领域应用的潜力。然而，利用传统的湿化学法合成这种金属纳米粒子一直存在一个瓶颈无法突破。这里，这篇文章报道了一种利用层状双氢氧化物（layered double hydroxides，LDH）或层状双金属氧化物（layered double oxides，LDO）能有效的、功能化的用于合成多金属合金纳米粒子。在这种方法中，不同的金属前驱物被分步插入LDH的层间空隙。金属之间进行配位反应的同时，二维氰桥配位聚合物被限制于LDH的空隙中。之后，支撑型多金属合金纳米粒子可以通过液相还原或热力学自还原方法获得。由于金属能够在二维 配位聚合物中均匀混合，所以能够获得具有大颗粒均匀性和成分可调的超细合金纳米粒子。支撑型多金属合金纳米粒子表现出多用途应用潜力。

文献链接：Ultrafine Alloy Nanoparticles Converted from 2D Intercalated Coordination Polymers for Catalytic Application（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601174）

8、Nature communications：石墨烯基弹性有机发光二极管

近日，在Nature Communications上，韩国浦项工业大学的Tae-Woo Lee（通讯作者）及韩国科学技术院的Seunghyup Yoo（通讯作者）等人报道了他们基于协同作用原理设计的一种石墨烯基弹性有机发光二极管，并对其性能进行了测试。

石墨烯基有机发光二极管（organic light-emitting diodes，OLEDs）已经成为了下一代显示器和照明用具的关键部件，这主要是由于它们具有高弹性光源。然而，它们的最好效率也只是接近于传统上的氧化铟锡基光源。这里，他们团队基于协同作用原理设计了一种以高指数的TiO₂层与低指数的空穴注射层构造的三明治型石墨烯电极结构，获得了较理想的结果，使得空腔共振出现最大化。该方法使得OLEDs呈现出超高的额外量子效率，对于单结和多结器件其数值分别达40.8%和62.1%（有半球透镜时分别为64.7%和103%）。石墨烯基OLEDs的反复弯曲度可达2.3mm，部分原因在于TiO₂层通过裂纹偏转增韧，耐弯应变可高达4%。

文献链接：Synergetic electrode architecture for efficient graphene-based flexible organic light-emitting diodes（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms11797）

该文献汇总由材料人编辑部学术组Sea、Carbon和谢畅供稿，材料牛编辑整理。

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