顶刊动态｜6月份Nature材料前沿科研成果精选

Nature六月精选预览：卡内基研究所&宾夕法尼亚大学实现铁电材料性能的预测与优化——第一性原理计算本征铁电翻转；荷兰乌特勒支大学通过胶体键合杂化和吸引作用实现微胶囊的自组装；美国中佛罗里达大学实现聚合物冷拔复合材料纤维和薄膜的可控分裂；美国华盛顿大学实现蛋白质设计新突破——二十面体衣壳蛋白；麻省理工学院发现接近耦合的高温铁磁拓扑绝缘相；威斯康星大学计算筛选出有前景的氮化物半导体；曼彻斯特大学研制出自主性化学燃料小分子马达。

1、铁电材料性能的预测与优化——第一性原理计算本征铁电翻转

图1  畴壁形核的Landau-Ginzburg-Devonshire模型

铁电材料是一种存在自发极化的材料，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。它具有介电、压电、热释电、铁电以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性。铁电体概括起来可以分成两大类：一类以KH2PO4为代表，具有氢键，从顺电相过渡到铁电相是无序到有序的相变，属有序无序型；另一类为位移型铁电体，以BaTiO3为代表，从顺电相到铁电相转变是由其中两个子晶格发生相对位移。

卡内基研究所Shi Liu（通讯作者）和宾夕法尼亚大学Andrew M. Rappe（通讯作者）利用分子动力学模拟铁电材料PbTiO3的90º畴壁来提供一个微观图景，使得能构建一个可以量化在各种铁电体中各类畴壁的动力学的简单、普适、形核与生长为基础的分析模型。然后预测了在有限温度下电滞回线与矫顽场的温度和频率关系。此模型能够定量测定矫顽场，与陶瓷和薄膜中的实验结果符合很好。研究者实现了多尺度理论研究方法来逐渐使铁电系统的微观电子与离子自由度内在化。从基于量子力学的第一性原理计算开始，提供铁电材料的结构与能量模型的关键信息。利用第一性原理计算的结果，建立原子间相互作用势模型，这个模型可以研究大的系统，达到845000个原子，用来探索在有限温度下电场驱动畴壁的运动。

文献链接：Intrinsic ferroelectric switching from first principles（Nature，2016，doi:10.1038/nature18286）
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2、通过胶体键合杂化和吸引作用实现微胶囊的自组装

图2 自组装单层微胶囊颗粒的SEM/TEM图

具有定向交换作用的颗粒是新型功能材料最具有潜力的构建模块，同时也可以作为生物结构模型。由于灵活的表面基团，互相有吸引力的纳米粒子会发生变形，例如可以自发形成线状，片状或者是大囊泡状。此外，带有吸引作用的各向异性胶体可以自组装成开放晶格或者分子和微粒的胶状等价体。然而，同时具有相互吸引、各向异性和可变形的模型系统尚未实现。

荷兰乌特勒支大学Chris h. J. Evers（通讯作者）和Willem K. Kegel（通讯作者）研究团队合成出具有以上特点的胶体颗粒，并获得了自组装的微胶囊。他们提出可以通过键合杂化作用，颗粒相互吸引和变形会诱导引起定向交换作用。通过键合杂化作用，各向同性的微球会自组装成二维单层结构，而非极性的雪人形的颗粒会自组装成中空的单层微胶囊。这些构建模块的改变可以合成出更复杂的自组装结构。

文献链接：Self-assembly of microcapsules via colloidal bond hybridization and anisotropy （Nature，2016，DOI:10.1038/nature17956）

3、聚合物冷拔复合材料纤维和薄膜的可控分裂

图3 冷拔材料测试表征结果，并进行有限元模拟分析应力分布

聚合物冷拔是一个常见的加工工艺，通过施加拉力，来减少拔出纤维的直径（或薄膜厚度）以及聚合物链的取向。冷拔很早就应用在工业生产领域，譬如聚酯、尼龙等高强度柔性纤维的生产。但是，关于复合材料结构的冷拔效应很少有人研究。

美国中佛罗里达大学 Ayman F. Abouraddy（通讯作者）等人对一种由聚合物外层包裹脆性芯材的复合纤维进行冷拔，发现了惊人的现象：纤维发生颈缩，但随后内部芯材的破坏并非无规混乱的，而是可控而连续的——沿纤维轴向形成一致且均匀尺寸的短棒，这种具有复杂横向几何性的嵌入式、结构化复合线程形成周期性的短棒链，固定包裹在聚合物内部。研究者表示，这种嵌入结构归因于颈缩传播引起的机械-几何不稳定性。内部短棒可通过选择性溶解聚合物外层得到，或者通过热修复自愈形成原脆性纤维线材。

文献链接：Controlled fragmentation of multimaterial fibres and films via polymer cold-drawing（Nature，2016，doi:10.1038/nature17980）
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4、 蛋白质设计新突破——二十面体衣壳蛋白

图4  二十面体衣壳蛋白的设计方法和生化特性

二十面体是最大的柏拉图立体结构，二十面体蛋白结构广泛存在于生物系统中，执行包装、转运等功能。许多病毒充分利用了这一结构，利用二十面体壳蛋白来保护和向活细胞中运输它们的基因体，这一结构被称为病毒衣壳。近年来这种结构由于具有众多的优越性逐渐受到研究者的关注，认为其具有药物靶向传递以及多价抗原呈递等多方面的应用价值。

美国华盛顿大学蛋白质设计研究所David Baker（通讯作者）等人致力于分子工具的开发以及蛋白质结构的研究，近日他们发表了一项令人鼓舞的研究进展。他们通过计算机设计了一个可自组装的25纳米的二十面体壳蛋白笼子，并且实验验证了其稳定性。该衣壳蛋白具有相当的稳定性也可和荧光蛋白融合，应用前景令人鼓舞。设计者认为他们所设计出的强大的、可定制的纳米笼很有潜力应用于靶向药物、疫苗设计以及合成生物学研究中。

文献链接：Design of a hyperstable 60-subunit protein icosahedron（Nature，2016，doi:10.1038/nature18010）

5、接近耦合的高温铁磁拓扑绝缘相

图5  Bi2Se3–EuS双层结构的XRD以及高分辨率的TEM图像

拓扑绝缘体是绝缘材料，可通过时间反演对称性对导电表面状态进行保护，也就是电子自旋动量被锁定。这种独特的性能为创造新一代的电子、自旋电子学和量子计算设备开辟了新的机遇。

麻省理工学院Ferhat Katmis（通讯作者）和Jagadeesh S. Moodera（通讯作者）等人用自旋极化中子反射率实验证明：在拓扑绝缘体（Bi2Se3）双层系统中通过耦合铁磁绝缘体使得拓扑界面磁性（EUS）增强。界面中的磁性主要由自旋轨道相互作用产生，并且拓扑绝缘体表面的自旋动量锁定使得这种双层系统的磁有序（居里）温度大大的提高。由于铁磁短距离的交互作用性质，在拓扑绝缘体的表面附近时间反演对称性会被打破而远离表面的不受影响。拓扑磁电机的设计就是源于这种拓扑绝缘体，可以通过一个电场有效地操纵磁化动力学，为未来以自旋为基础的技术提供了一个高效节能的拓扑控制机制。

文献链接：A high-temperature ferromagnetic topological insulating phase by proximity coupling（Nature，2016，doi:10.1038/nature17635）

6、计算筛选出有前景的氮化物半导体

图6 分子电催化剂及相关均相和酶催化剂

随着燃料电池、生物质能的利用及精细化学合成这些潜在应用的发展，醇的电化学氧化将成为能源和化学转化工作的一大重点。镍催化剂可用于电化学生产和氢的氧化过程，从其最近的发展来看，醇电化学氧化过程中的小分子电催化剂也将成为未来深入发展过程中的颇具前景的目标。具有可形成氢化活性点的胺类配合物不仅可以催化制氢过程且其速率远高于酶类催化；此外，它还可以调节可逆电催化制氢和及用类酶氧化时的性能。电催化醇氧化的发展一直较为平缓。镍络合物与之前用于氢氧化的催化剂相似，已经得到证实镍络合物在2.1周转率/s时，可以调节苯甲醇有效电化学氧化。然而，这些化合物在与乙醇和甲醇反应时具有较差的反应活性。

威斯康星大学麦迪逊分校化学系的Artavazd Badalyan（通讯作者）和 Shannon S. Stahl（通讯作者）报道了（2,2'-联吡啶）铜/硝酰基共催化剂体系可用于更快速的电化学醇氧化反应，而且在操作过程中所用电极电势会比仅用TEMPO作催化剂的化学过程要低半伏。（2,2'-联吡啶）铜（II）和TEMPO氧化还原对表现出协同反应性。此外，研究者还使用了低电位，属于质子偶联TEMPO / TEMPOH氧化还原过程，而不是高电位TEMPO /TEMPO+反应过程。研究表明，电子质子转移介质（如TEMPO）是如何与第一行过渡金属（如铜）结合使用，从而实现高效的两电子电化学过程，也因此为非贵金属电催化剂的发展引入了一个新的概念。

文献链接：Cooperative electrocatalytic alcohol oxidation with electron-proton-transfer mediators（Nature，2016，doi:10.1038/nature18008）

7、自主性化学燃料小分子马达

图7  化学燃料索烃旋转马达的操作

生物体内的众多生理活动都依靠化学“燃料”三磷酸腺苷（ATP）供能，例如肌肉收缩以及分子的跨细胞膜转运。多年来，化学家们一直试图仿效这一过程，人工构建小分子马达，尽管取得了一些成绩，但这些分子机器始终没有做到利用化学“燃料”供能并无需外界干预自主运转。一个分子马达首先必须产生不会被 “布朗运动” (在那个尺度上起主导作用的一种力)所淹没的运动，而且无法将角动量作为一种方向控制方式加以利用。

曼彻斯特大学David A. Leigh（通讯作者）等人开发出一个系统，该系统能通过消耗单一化学燃料来驱动一个分子机器，使该分子机器只要有这种燃料存在就能实现连续转动，而不需要任何进一步的化学输入或外部刺激。这一马达由两个连锁的分子环组成，其中较小的一个环 (大环)当受到一种化学燃料的不可逆反应的驱动时会围绕其中较大的一个环(环形分子轨道)被连续定向运输。方向性是通过添加到轨道上的化学燃料的反应速度的不对称性实现的，这种不对称性迫使大环在同一方向上继续运动，而不是朝前一个反应点逆转。

文献链接：An autonomous chemically fuelled small-molecule motor（Nature，2016，doi:10.1038/nature18013）

本文由材料人学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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