顶刊动态｜Nature：7月材料前沿科研成果精选

Nature七月精选预览：美国洛斯阿拉莫斯国家实验室设计出高效二维四方共生结构钙钛矿太阳能电池；瑞士洛桑联邦理工学院利用MoS2纳米孔构建纳米发电机；都柏林圣三一学院利用纳米折纸实现热激活的石墨烯自组装；以色列魏茨曼科学研究所实现以库仑斥力为媒介的电子吸引；荷兰莱顿大学实现带纹理机械性能超材料的组合设计；加州大学伯克利分校发现狄拉克半金属Cd3As2中费米弧介导手性传递的输运证据；韩国基础科学研究院和韩国科学技术院在沸石模板中镧催化合成微孔三维石墨烯状碳材料。

1、高效二维四方共生结构钙钛矿太阳能电池

图1 n=3和4时的二维钙钛矿晶体结构

钙钛矿电池因为其独特的光电物理特性，成为第三代太阳能电池中最具潜力的薄膜太阳能电池，从2009年的3%的效率，经过短短几年的发展，现在已经突破22%。而今面临的另一难题就是如何在大气环境下制备电池并能保证电池的稳定性。有人报道的二维四方共生结构的钙钛矿太阳能电池，已经证实了其优异的稳定性，但是光电装换效率只有4.73%。该电池效率低的主要原因是钙钛矿平面外的电子传输被有机基团阻挡，这就像是无机导体板中间夹杂了很多绝缘层。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 Aditya D. Mohite（通讯作者）等人利用近单晶做成的层状钙钛矿解决了上述问题，原因是这种无机钙钛矿因为单晶结构会形成一个很好的阵列式的薄膜太阳能电池板，这就促进了钙钛矿中电子的传输，从而使电池在没有任何滞后现象的情况下，光电转换性能达到12.52%。这种电池在未封装的情况下，在一个太阳光下连续照射2250个小时，其性能还可以维持在60%。而封装后的电池在相同的环境下，性能无衰减。

文献链接：High-efficiency two-dimensional Ruddlesden–Popper perovskite solar cells（Nature，2016，doi:10.1038/nature18306）

2、MoS2纳米孔构建纳米发电机

图2 MoS2纳米孔捕获渗透能量

利用海水和淡水之间的渗透压力差发电是清洁、可再生能源中的一种有效方式，俗称“蓝色能源”。当电解质受到孔隙、压力梯度或者盐浓度梯度引起的渗透电势的驱动作用时，往往会发生另外一种称之为“流动电势”的电动力学现象。由于水在膜中的传输性能和膜的厚度成反比，所以，在这种“流动电势”现象中，二维材料制备的膜有望成为最高效的材料。

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Jiandong Feng（通讯作者）和Aleksandra Radenovic（通讯作者）等人报道了一种利用单层MoS2纳米孔构建渗透式纳米发电机的方法。研究人员发现，由于MoS2薄膜的原子级超薄特性，盐浓度梯度形成的渗透压可产生较大的电流，其能量密度高达106 W m-2。为了满足纳米电子器件和光电器件低供能的需求，往往需要设计一个相邻的纳米发电机来实现局部环境中的能量捕获。譬如，压电ZnO纳米线阵列，或者单层MoS2。研究人员成功利用MoS2纳米孔发电机为MoS2晶体管供能，从而构建了一个自供能纳米系统。

文献链接：Single-layer MoS2 nanopores as nanopower generators（Nature，2016，doi:10.1038/nature18593）

3、纳米折纸——热激活的石墨烯自组装

图3 石墨烯的自组装

石墨烯及相关二维材料具有优异的机械性能，既可以像折纸艺术一样进行折叠，又可以像剪纸艺术一样进行裁剪。宏观片层和二维材料之间的核心区别在于：二维材料的分子级超薄特性确保其大量面外运动的热活化。热活化可使不受约束的石墨烯片产生局部褶皱，有助于研究人员更好地从理论上理解石墨烯的热稳定性，并产生意想不到的长程弯曲硬度。

都柏林圣三一学院Graham L. W. Cross（通讯作者）报道了热活化对于二维材料更为重要的影响：引发大规模自发的、自驱动的从基底撕裂和剥离的行为。研究表明，可扩展的纳米压印型接触技术可以引起成核和引导石墨烯带的平行自组装，在环境压力下得到可控的形状。根据断裂力学模型，热力学作用力驱动石墨烯-石墨烯界面的形成，以取代石墨烯-界面的接触，从而实现多层石墨烯的自撕裂和自剥离。这项工作展示了石墨烯通过简单的折叠配置，实现了利用表面的弱物理作用力撕裂强大的共价键作用力。这对于基于二维材料的器件的图案化和力学驱动起到了很好的借鉴。

文献链接：Self-assembly of graphene ribbons by spontaneous self-tearing and peeling from a substrate（Nature，2016，doi:10.1038/nature18304）

4、以库仑斥力为媒介的电子吸引

图4 模型系统及其基础构建模块的实验实现

基础物理学的一个原理认为，带相似电荷的粒子相互排斥，但在固体中不可思议的事情却有可能发生：电子可以聚到一起。在合适的晶格振动帮助下，电子能克服它们的排斥力形成 “界偶” (bound pair)，这是能导致超导性的一个众所周知的效应。

以色列魏茨曼科学研究所的 Shahal Ilani（通讯作者）等人设计产生了一个在其他电子帮助下电子相互吸引的甚至更为奇特的效应。 他们是通过以亚微米的高精度将两个碳纳米管电子装置相邻放置做到这一点的。被约束在一个碳纳米管中一个小区域内的电子之间的排斥力可以通过准确放置和调整另一个碳纳米管而被转变成吸引力。这项研究解决了关于电子配对是否可能这样一个长期未解的基础问题，为量子电子装置提供了一个新颖的平台。

文献链接：Electron attraction mediated by Coulomb repulsion（Nature，2016，doi:10.1038/nature18639）

5、带纹理机械性能超材料的组合设计

图5 体元机械超材料

众所周知，普通的材料，无论是电脑显示器还是咖啡杯，甚至宠物猫，都是由原子和分子组成的。材料的状态（固体、液体、气体等）和它的特性（如导电率、硬度等）都是由它们的化学成分决定的。而超材料则是一种由人来设计的材料，它是由比原子或分子更大的基本单位组成的，因此其状态和特性都是由基本单位的属性，而非其化学成分，决定的。

荷兰莱顿大学Corentin Coulais（通讯作者）等人提出了一种非周期性、存在空间纹理功能性的机械超材料的设计合成策略。研究者利用具有变形各向异性的立方体积木体元实施了这个设计策略，一个局部堆叠规则通过确保变形积木组合在一起，作为一个三维拼图和三维印刷允许协作形状的变化。这些非周期性超材料存在长程全息有序，由此，两维像素化表面纹理表明了三维内部体素的排列。研究者指出：尽管超材料都是由相同的基本材料（分子、原子）组成的，但是构建超材料的基本单元尺寸会更大，往往以纳米、微米，甚至毫米或厘米计。实际上我们人为地创造了有这些单元组成的一个结构，它的特性是由几何结构决定的。这种可编程设计合成的超材料，这不仅可能改变残疾人的生活，甚至有可能颠覆整个可穿戴技术和软机器人领域。

文献链接：Combinatorial design of textured mechanical metamaterials（Nature， 2016， doi:10.1038/nature18960）

6、狄拉克半金属Cd3As2中费米弧介导手性传递的输运证据

图6 微结构的表面振荡

处在金属中的载流子的色散与自由电子存在着明显差异，这是由于它和晶格之间存在相互作用。这种相互作用会产生类似高能粒子物理中无质量相对论动力学描述的准粒子，使电子的量子相转移到拓扑非平庸节点，继而产生受保护的、具有反常电磁特性的表面态。这些效应交织存在于我们所说的Weyl半金属中，同时也存在于它的类似物——晶体对称性受保护的狄拉克半金属中。而后者在三维空间中呈现一种可由两个Weyl方程（描述无质量相对论费米子的理论模型）表述的线性电子色散。在晶体表面，平移对称性的破缺将导致拓扑表面态的产生，也就是所谓的“费米弧”，它是高能物理或者传统凝聚态系统理论体系所不能解释的。

加州大学伯克利分校物理系Philip J. W. Moll（通讯作者）和James G. Analytis（通讯作者）展示了用聚焦离子束方法制备的Cd3As2微结构中的舒勃尼科夫-德哈斯振荡(Shubnikov–de Haas oscillations)现象，结果验证了理论方法预测的“Weyl轨道”——也就是将费米弧与手性体态交织在一起的回旋运动的存在。与传统的回旋轨道不同，这种运动不是由洛伦兹力的动量传递引起的，而是由手征从一个Weyl节点到另一个的转移驱动的。本文的观测结果为输运实验中实现对电荷拓扑性质的直观检测提供了证据，向着它们潜在深入的应用迈出了第一步。

文献链接：Transport evidence for Fermi-arc-mediated chirality transfer in the Dirac semimetal Cd3As2（Nature，2016，doi:10.1038/nature18276）

7、在沸石模板中镧催化合成微孔三维石墨烯状碳材料

图7 三维类石墨烯微孔碳的结构

具有周期性纳米孔的三维石墨烯——令人想起沸石框架——由于可能结合了石墨烯和三维孔结构，引起了人们的关注。近年来，人们使用作为模板的沸石和能进入其狭窄孔隙的小分子碳氢化合物，已经合成了此类碳材料。然而，碳氢化合物的热解碳化（产生纯碳的必要步骤）需要高温，且会在孔外造成非选择性积碳。

韩国基础科学研究院和韩国科学技术院的Ryong Ryoo（通讯作者）等人证明了将镧离子嵌入沸石可以降低乙烯或乙炔碳化所需的温度。这样，石墨烯状的碳结构可以在沸石模板中有选择地形成，且沸石外表面没有积碳。碳化作用后的沸石单晶X-射线衍射数据显示，与碳原子相对应的电子密度沿着沸石孔隙的壁产生。将沸石模板除去之后，碳骨架展现了比无定型介孔碳高两个数量级的电导性。镧催化使沸石孔隙中形成小于1 nm直径的碳骨架；同样的，使用相应的不同孔尺寸和形状的沸石，能够制备出具有各种各样拓扑结构的碳纳米结构。研究者展示了使用大孔沸石（FAU, EMT和beta）、一维中孔沸石（LTL）甚至小孔沸石（MFI和LTA）进行的碳合成。催化效应是镧、钇和钙的共同特征，它们都是催化碳化物形成的金属元素。研究者同时证明了此合成可以很容易的大规模进行，使其具有重要的实际应用价值，如锂离子电池和沸石状催化剂载体的生产。

文献链接: Lanthanum-catalysed synthesis of microporous3D graphene-like carbons in a zeolite template（Nature，2016，doi:10.1038/nature18284）

本文由材料人编辑部学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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