NS年度封面汇总

黑天鹅事件频发的2020年转眼间就过去了。今年的科研界依然成果不断，以材料为主题，我们筛选了Nature、Science的每期封面。通过这些精选NS封面，不仅可以回顾总结过去一年的重大研究成果，还能展望未来的研究趋势。因此，让我们一起来欣赏这些精美的封面吧。

1. 超快陶瓷合成

陶瓷因其高的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而广泛应用于电子、储能和极端环境。传统的陶瓷烧结往往需要数小时的加工时间，这可能成为高通量发现先进陶瓷材料的障碍。美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人（共同通讯作者）等人报告了一种称为超快高温烧结（UHS）的陶瓷合成方法，该方法具有温度分布均匀、高升温（~10³ ~ 10⁴℃/min）、高冷却速率（高达10⁴℃/min）和高烧结温度（高达3000℃）的特点。超高速的加热速度和温度使烧结时间达到了10秒左右，不仅在速度上远超大多数传统炉的烧结速度，还能避免挥发性元素的损失。在该方法中，研究人员直接将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两个加热焦耳的碳条之间，这些碳条通过辐射和传导迅速加热，形成均匀的高温环境，用于快速合成（固态反应）和反应烧结。在惰性气氛中，这些碳加热元件可以提供高达3000℃的温度，这足以合成和烧结几乎任何陶瓷材料。较短的烧结时间也有助于防止多层结构界面上的挥发性蒸发和不理想的相互扩散。此外，该技术可扩展的，因为加工过程与材料的内在特性脱钩（与快速烧结不同），因此可以进行一般的快速陶瓷合成和烧结。UHS工艺还可与陶瓷前体的3D打印兼容，除了在多层陶瓷化合物之间形成良好的界面外，还可产生新颖的烧结后结构。该研究认为，超快高温烧结技术作为该领域的一项突破，不仅对功能材料的制备具有普遍的适用性，而且在非平衡凝固新型材料合成应用上表现出了巨大的潜力

文献链接： https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521

2. 电极材料微结构缺陷的可逆演变

高能富镍正极对先进的锂离子电池来说意义重大，然而这类正极材料具有湿度敏感、副反应多和气体生成等缺点。而通过减小相界和材料表面，单晶富镍电极相对于聚晶电极来说可以一定程度上改善上述缺点。然而，高性能单晶富镍正极的合成目前来说依旧困难重重。

美国太平洋西北国家实验室的Jie Xiao（通讯作者）团队利用单晶富镍材料作为模型材料，通过观察富镍正极的变化来研究断裂行为。研究发现，当材料充电并且去锂时，能够观察到特异的相互面滑动（planar gliding）和微裂缝。而在放电过程中，这些现象就会翻转，清除微裂缝的所有痕迹。研究人员通过建立扩散诱导应力模型来理解面滑动的起源，发现晶格中锂原子浓度具有梯度变化现象，可诱导局部应力改变，从而促使可逆的微结构缺陷形成。借助这一研究，作者还提出了在工作电池中稳定富镍正极的方法，从而有利于进一步挖掘富镍正极材料的应用潜力。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313

3. 看见缺陷流动和生长

液晶中的定向拓扑缺陷也叫向错（disclinations），已经可以在聚合物材料中或者通过分子局部取向的介观模拟进行可视化。而加州大学默塞德分校的Daniel A. Beller和布兰代斯大学的Zvonimir Dogic（共同通讯作者）等人则在活性、三维向列型液晶中对向错的结构和动力学进行可视化，从而进一步观测由微管束驱动的分子运动。为了达到这一目的，研究人员将微管束分散到胶体液晶中形成三维活性向列型液晶。继而通过光片层显微技术在单束级水平揭示这些活性液晶毫米级结构的时间演变过程。在这一过程中，研究人员可进一步直接观测空间扩展拓扑缺陷的成核、形变、重组和崩塌。因此，文章认为该项工作为分析块体各向异性系统的非平衡动力学提供了新的框架。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1120

4. 不均一的纳米晶

对于纳米颗粒的制备来说，一个主要的挑战在于即使是均一尺寸的颗粒也会在原子排列和表面封端配体等方面存在分布。这就是说，同一合成批次的纳米晶体通常也会在大小、晶格畸变和缺陷方面存在很小但可能至关重要的差异。这些差异目前只能通过高空间3D分辨的结构表征进行研究和理解。

为了进一步探索单个纳米晶结构，韩国基础科学研究所Jungwon Park、美国劳伦斯伯克利国家实验室Peter Ercius和澳大利亚莫纳什大学Hans Elmlund团队（共同通讯作者）发展了一种“布朗单粒子重建”方法（原子分辨率3D SINGLE）。在这一方法中，研究人员利用原子级分辨的3D液体池电子显微技术解析了单个胶体铂纳米晶的结构，从而揭示了溶液中配体保护的铂纳米晶的关键内源异质性。研究分析表征了结构简并、晶格参数偏差、内部缺陷和应变等结构异质性，发现这些方面的差异对自由能具有巨大贡献，从而为改进合成和理解当前材料的性能提供重要的指导和借鉴。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6486/60

5. 工程化水解酶“清理”塑料

塑料废物是目前主要的环境问题之一。在这其中，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）作为最丰富的聚酯塑料，其回收过程容易损耗材料性能，并且极难被水解，属于回收成本高、极难环境降解的一类塑料。为了解决PET的环保问题，法国图卢兹大学的I. André、S. Duquesne以及A. Marty（共同通讯作者）等人描述了一种可用于分解PET的新型工程化水解酶。这种酶是在一种角质酶的基础上进行改进而获得的，在10小时内就可以将90%的PET进行解聚并降解为单体。在酶浓度为3毫克/克PET时，生产率可至每升每小时16.7克对苯二甲酸酯（200克/千克PET悬浮液），经过优化的酶性能优于迄今为止报道的所有PET水解酶。更重要的是，研究还发现经过酶解聚的PET废料可以用来生产生物回收型PET瓶，其性能与石油化学合成的PET相当，从而可实现瓶子的重复使用，非常符合循环PET经济的理念。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4

6. 披上“铠甲”的超疏水表面

能够保持干燥、具有自清洁能力并可以避免生物污染的超疏水表面在生物技术、医药以及热传递等领域均有潜在的应用前景。这种超疏水表面通常需要经过低表面能化学和微纳水平粗糙度的处理，以此尽可能减小液-固界面的接触。然而，由于水滴只与极小部分表面接触，导致表面在机械载荷下承受了较高的局部压力，容易造成表面磨损，从而暴露基质材料，严重的甚至能够改变表面的超疏水性质。因此，如何保证在拥有良好超疏水性能的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前超疏水材料面对实际应用亟待解决的关键难题。

芬兰阿尔托大学的Robin H. A. Ras和电子科技大学的邓旭（共同通讯作者）等人发文首次通过去耦合机制将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，并提出微结构“铠甲”保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损的概念。在这一方法中，研究人员在表面构造两种尺度结构，纳米结构可以提供对水的排斥能力，而微尺度结构设计则有助于表面长期维持超疏水性。其中，微尺度结构是相互连通的表面框架，为维持疏水能力提供帮助，同时还能保护容易因表面磨损现象而被破坏的纳米结构。利用这一策略，研究人员在硅、陶瓷、金属以及透明玻璃等基质材料上实现了超疏水表面，利用外力进行磨损破坏后，这些表面的疏水能力依然能够保留下来。由此而制备的新型自清洁玻璃也为解决太阳能电池的颗粒物污染提供了新的思路。研究认为这一超疏水表面构建策略为长效维持材料的自清洁、抗污染等能力提供了有效的方法。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2331-8

7． 首次实现室温超导性

数十年来，超导现象一直被限制在绝对零度附近。但随着−140 °C级别的“高温”超导体被发现，科学家们就开始追求更高温度下的超导体。美国罗彻斯特大学的Ranga P. Dias（通讯作者）团队首次获得了在室温下展现出超导性的材料。研究人员首先将硫、碳元素前驱体球磨成微米级颗粒并混合置入金刚石砧里，随后在金刚石砧里充入氢分子，充当反应物和传压介质的双重角色。利用两颗金刚石的相互挤压，施以超高压力和激光辐照触发混合物的化学反应，驱动硫硫键的光分解，从而形成硫自由基，并与氢分子反应生成硫化氢，继而最终制备具有均匀透明的C–S–H晶体结构的碳质硫氢化系统。实验检测发现，该系统在140-275吉帕的压力范围内可展现出相对低温的超导态，而当压力增大至220吉帕以上时，超导转变温度急剧上升，最终在267 ± 10吉帕处，超导转变温度可达到287.7 ± 1.2 开尔文（即15摄氏度左右），在该条件下，材料具有零电阻、在施加的磁场下临界温度的降低、冷却时从材料内部排出磁场（迈斯纳效应）等三个超导体特征，同时研究也证实了其从分子到金属以及超导的一系列结构和电子相变。这些结果不仅打破了超导转变温度的世界纪录，也表明引入第三个元素可以大大拓宽未来寻找新超导体的范围，为高温超导研究开辟了一个全新的探索区域。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

8．“制造”有序

手性是天然材料的一个特点，而在凝聚态物理中，晶体电子结构也可以展现出相似的几何手性现象。这一现象又常常倾向于在晶格形成时就预先决定了，然而，在具有回旋有序性（gyrotropic order）材料当中，电子可以进行自发排列，从而赋予非手性结构以手性特征。这类有序性常常被认为是胆甾相液晶的量子等价物，至今还未在实验中实现清晰观测或者操纵。

美国麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和Nuh Gedik（共同通讯作者）等人联合报道了在过渡金属硫化物（1T-TiSe₂）中实现光学手性诱导和回旋有序相观测。在将1T-TiSe₂进行冷却到临界温度以下的过程中，研究人员对其进行中红外圆偏振光闪烁照射，使其倾向性地形成手性畴。实验测量不仅证实了手性的存在，也表明手性方向取决于光学诱导过程。尽管对该畴壁的作用需要局部探针的进一步研究，但研究人员认为文章描述的方法在实现并控制量子材料的手性电子相方面具有一定的普适性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2011-8

9. 边界控制

作为晶体表面缺陷，晶界是微晶或者晶粒之间的界面，其能够影响纳米晶材料的许多性质。然而，晶粒的尺寸、形状和取向变化多端，阻碍了对缺陷-材料性质关系的深入研究。而韩国基础科学研究所的Taeghwan Hyeon和加州大学伯克利分校的A. Paul Alivisatos（共同通讯作者）等人阐释了一种新型方法，可以合成具有均一晶界的多晶粒纳米晶。研究在四氧化三钴纳米立方晶体的每个晶面控制四氧化三锰的沉积和生长，形成核壳结构的多晶粒纳米晶。在这一结构中，每个外壳都是对称相关的连通晶粒，而相邻四氧化三锰晶粒之间的巨大几何不匹配度则使氧化钴的锐利边缘处形成倾斜边界。对该材料进行研究，文章总结了高度有序多晶粒纳米结构的四个设计原则：一是衬底纳米晶的形状须能够引导增生相的晶体学取向；二是衬底的尺寸必须小于位错之间的特征距离；三是增生相和衬底之间的不兼容对称性能够增加晶粒之间的几何不匹配度；四是对于近平衡条件下的晶界形成，外壳的表面能需要利用配体钝化增加弹性能来进行平衡。基于这些设计原则，文章认为不仅能制备具有独特晶界缺陷的多晶粒纳米晶，也有助于为探索缺陷效应开辟道路。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1899-3

本文由NanoCJ供稿。

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