Nature系列刊导读来了，不可错过的高光时刻

为大家准备了Nature、Nature Materials、Nature Energy、Nature Nanotechnology系列近期文章速览，供大家学习参考。

Nature: 电子集成，大规模制造，微型机器人

微电子领域的摩尔定律为迅速发展的微观机器人领域带来了非凡的机遇。目前，电子、磁性和光学系统具有前所未有的复杂性、小体积和低成本的组合，可以很容易地应用于小于人类视觉分辨率限制(小于100 um)的机器人。然而，一个主要的障碍在于缺乏与半导体工艺无缝集成并响应标准电子控制信号的微米级致动器系统。在这里，康奈尔大学Itai Cohen，Paul L. McEuen，Marc Z. Miskin等人通过开发一种新型的电压可控电化学致动器来克服这个障碍，这种致动器可以在低电压(200 mV、低功率(10 nW)下工作，并且完全兼容硅工艺，很容易与微电子元件集成，以实现大规模构建完全自主的微型机器人。100um以下的行走机器人制造的每一步都是并行执行的，每4英寸的晶圆片可以生产超过100万个机器人。这些结果对于大规模制造、硅基、功能机器人来说是一个重要的进步，因为它们太小了，无法用肉眼分辨。相关研究以“Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots”为题目，发表在Nature上。（DOI: 10.1038/s41586-020-2626-9）

图1 并联制造的电子集成微型机器人

Nature: 硅气凝胶的增材制造

由于其超低的导热性和开孔结构，硅气凝胶被广泛应用于隔热、催化、物理、环境补救、光学器件和高速粒子捕获。绝热材料是硅气凝胶最大的市场，当空间有限时，硅气凝胶是理想的材料。硅气凝胶的一个缺点是脆性。纤维增强剂和粘合剂可以在建筑和工业绝缘的大范围应用中克服这一问题，但是它们的可加工性差，加上精确铸造小物体的不稳定性，限制了二氧化硅气凝胶小型化的潜力。在此，瑞士联邦材料科学与技术研究所Wim J. Malfait，Shanyu Zhao教授报道了一种直接油墨书写的增材制造方法，从稀释的二氧化硅纳米颗粒悬浮液（溶胶）中的硅气凝胶粉末浆液中构建微型硅气凝胶物。由于高体积分数的凝胶颗粒，墨水表现出剪切稀释行为。因此，在打印过程中，它们很容易通过喷嘴，但在打印后，它们的粘度迅速增加，确保被打印的物体保持其形状。印刷后，硅溶胶在氨气中形成凝胶，使后续处理成为气凝胶。印刷的气凝胶物体是纯二氧化硅，并保持典型的二氧化硅气凝胶的高表面积和超低导热性。此外，还演示了功能纳米颗粒可以很容易地结合在一起。打印的二氧化硅气凝胶对象可以用于热管理，作为小型气体泵和降解挥发性有机化合物。相关研究以“Additive manufacturing of silica aerogels”为题目，发表在Nature上。（DOI: 10.1038/s41586-020-2594-0）

图2 直接墨水书写法生产二氧化硅气凝胶的增材制造

Nature Materials：具有铸态拉伸塑性的难熔高熵合金的自然混合导向设计

含有多种主要合金元素的金属合金引起了人们对探索金属性能极限和理解潜在物理机制的兴趣。难熔高熵合金（RHEAs）因其高熔点和优异的耐软化性能而受到特别关注，这是高温应用的两个关键要求。即使考虑到成本和可回收性的限制，它们的构成空间也是巨大的。然而，难熔高熵合金往往表现出明显的脆性和氧化敏感性，这是其加工和应用的重要挑战。在此，麻省理工学院Cemal Cem Tasan教授等人利用耐火材料元素的自然混合特性，设计了一种Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄耐火高熵合金，该合金在铸态具有>20%的拉伸延展性，在高温下具有良好的物理化学稳定性。研究发现，位错-β′-相相互作用对Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的机械性能具有关键作用。这些结果表明，自然混合倾向对加速高熵合金的发现是有效的。相关研究以“Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility”为题目，发表在Nature Materials上。（DOI: 10.1038/s41563-020-0750-4）

图3 难熔元素中寻找成分的策略

Nature Materials： 可溶液处理的MOF用于多孔液体的混合基质膜

良好的分子腔和化学功能的结合使晶体多孔固体吸引了大量的技术应用，从催化到气体分离。然而，与聚合物等其他广泛应用的合成固体相比，结晶扩展固体缺乏可加工性阻碍了它们的应用。在这项工作中，阿卜杜拉国王科技大学Alexander Knebel 、Anastasiya Bavykina、Yury Lebedev等人证明了金属有机框架，一种高晶体多孔固体，可以通过使用氮杂环碳烯配体的外表面功能化溶液处理。相对较大的ZIF-67纳米颗粒(250 nm)的选择性外表面功能化可以稳定具有永久孔隙性的可加工分散体。所得到的III型多孔液体既可以直接作为液体吸附剂使用，也可以与最先进的聚合物共同处理，生成具有优异机械性能的高负载混合基质膜，在丙烯与丙烷的分离方面具有出色的性能。期望这种方法可以扩展到其他金属有机框架和其他应用。相关研究以“Solution processable metal–organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids”为题目，发表在Nature Materials上。（DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y）

图4 原始和修饰后ZIF-67的比较

Nature Energy：可扩展太阳能生产甲酸盐的分子工程光催化剂

收集太阳能将二氧化碳转化为化学燃料是一项很有前途的技术，可以减少大气中不断增长的二氧化碳水平，减轻全球对化石燃料的依赖。然而，组装高效和稳健的系统，以选择性光转换二氧化碳不牺牲试剂和外部偏置仍然是一个挑战。在这里，剑桥大学的Erwin Reisner等人展示了一种光催化剂薄片，它可以将二氧化碳和水转化为甲酸盐和氧气，这是一种潜在的可扩展的二氧化碳利用技术。将掺杂镧和铑的SrTiO₃、钼掺杂的BiVO₄、膦化Co(Ⅱ)双(三吡啶)和RuO₂催化剂整合到一个金层上，从而制备出一个光催化器件。单片器件的转换效率（太阳能到甲酸盐）可以达到0.08±0.01%，同时甲酸盐的选择性可以达到97±3%。由于该设备是无线运行的，并将水作为电子供体，因此它提供了一种多用途策略，利用分子基混合光催化剂实现可伸缩和可持续的二氧化碳减排。相关研究以“Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water”为题目，发表在Nature Energy上。（DOI: 10.1038/s41560-020-0678-6）

图5 CotpyP负载SrTiO₃:La,Rh|Au|RuO₂-BiVO₄:Mo光催化剂片

Nature Energy：碳纳米管上分散酞菁镍的分子工程用于选择性CO₂还原

二氧化碳的电化学还原是一种很有前途的可持续燃料生产途径。一个巨大的挑战是开发低成本和高效的电催化剂，使快速转化和高产品选择性。南方科技大学Yongye Liang、Yang-Gang Wang教授联合美国俄勒冈州立大学Zhenxing Feng教授等人设计了一系列以碳纳米管为载体的酞菁镍分子作为分子分散电催化剂(MDEs)，在稳定性、活性和选择性方面优于聚合分子催化剂的二氧化碳还原性能。甲氧基组功能化的MDEs解决了原酞菁镍催化剂的稳定性问题。在气体扩散电极装置中，在高达- 300 mA cm⁻²的高电流密度下，以>99.5%的选择性催化CO₂转化为CO，并在- 150 mA cm⁻²的条件下稳定运行40 h。明确的MDEs活性位点也有助于从原位X射线吸收光谱和理论计算中理解电催化性能的结构因素。相关研究以“Molecular engineering of dispersed nickel phthalocyanines on carbon nanotubes for selective CO₂ reduction”为题目，发表在Nature Energy上。（DOI: 10.1038/s41560-020-0667-9）

图6 NiPc MDEs的结构和CO₂RR性能

Nature Nanotechnology：具有极高纵横比的结构纳米级金属玻璃纤维

微型和纳米级金属眼镜为基础研究和医疗保健、微细工程、光学和电子领域的应用提供了令人兴奋的机会。然而，与制造和利用纳米级金属玻璃相关的科学和技术挑战仍未解决。在此，瑞士洛桑联邦理工学院Fabien Sorin教授提出了一种简单而可扩展的方法，用于制造纳米级结构的金属玻璃纤维，该方法基于其在具有匹配流变性的聚合物基质中的热共拉伸，该方法得到有序和均匀的金属玻璃，其特征尺寸可控制到几十纳米，宽高比大于10¹⁰。结合流体动力学和先进的原位透射电子显微镜分析来阐明流体不稳定性和结晶动力学之间的相互作用，决定了可实现的特征尺寸。产生的复杂的纤维结构，结合其他功能材料展示了一种可植入的金属玻璃纤维探针，这种探针在体内测试了稳定的脑机接口，为创新的高性能和多功能神经探针铺平了道路。相关研究以“Structured nanoscale metallic glass fibres with extreme aspect ratios”为题目，发表在Nature Nanotechnology上。（DOI: 10.1038/s41565-020-0747-9）

图7 有序的微型和纳米尺度MGs

Nature Nanotechnology：使用近场纳米光学的丝蛋白可重写光存储介质

生物相容材料中的纳米级光刻和信息存储为诸如生物电子学和可降解电子学等传统半导体制造技术无法使用的应用提供了可能性。蚕丝蛋白是一种以其强度和生物相容性而闻名的天然蛋白质，在这方面得到了广泛的研究。在这里，德克萨斯大学奥斯汀分校Wei Li，中科院上海微系统与信息技术研究所陶虎，美国纽约州立大学石溪分校刘梦昆等介绍了使用蚕丝膜作为生物功能介质的纳米蚀刻和数据存储。利用尖端增强近场红外纳米蚀刻，展示了多种操作方法，并表征了丝的原位形貌和构象。特别地，在丝膜上构造了约35 nm分辨率的灰度和双色调纳米图案，实现了数据的可读写。该丝膜材料能够实现64 GB inch^-2的数据容量，在各种恶劣条件下保持长期稳定。另外，作为原理证明，其驱动器可以生物功能化，以显示显色反应，抵抗细菌感染和热触发，酶辅助分解。相关研究以“A rewritable optical storage medium of silk proteins using near-field nano-optics”为题目，发表在Nature Nanotechnology上。（DOI: 10.1038/s41565-020-0755-9）

图8 在丝驱动器上写入和擦除数据

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本文由Junas供稿。

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