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郑州华晶金刚石股份有限公司

《自然》《科学》一周(11.13-11.19)材料科学前沿要闻

关键词 材料|2017-11-20 10:47:57|来源 新材料在线
摘要   1.任意光自旋角动量到轨道角动量的转换  (Arbitraryspin-to–orbitalangularmomentumconversionoflight)  将光的自旋角动...

  1.任意光自旋角动量到轨道角动量的转换

  (Arbitrary spin-to–orbital angular momentum conversion of light)

  将光的自旋角动量(SAM)转换成涡旋光束的光学元件在经典光学和量子光学中已有应用。这些元件(SAM到轨道角动量(OAM)转换器)基于几何相位,并且仅允许将左旋和右旋圆偏振(自旋状态)转换成具有相反OAM的状态。Devlin 等人提出了一种将任意SAM状态转换为以独立OAM叠加为特征的总角动量状态的方法。最终设计了一个转换左旋和右旋圆偏振态为具有独立OAM值状态的超表面,并设计了另一个同样功能用于椭圆偏振状态的设备。这些结果展示了一种光的SAM和OAM 之间的一般材料介导连接,并由此可能找到用于产生复杂结构光和光通信的应用。(Science DOI: 10.1126/science.aao5392)

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  2. 将甲烷直接转化为氢气和可分离碳的催化熔融金属

  (Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon)

  当溶解于惰性低熔点金属(In、Ga、Sn、Pb)中时,作为甲烷活性催化剂的金属(Ni、Pt、Pd)能够产生稳定的熔融金属合金催化剂,用于将甲烷热解成氢气和碳。此前用于该反应的所有固体催化剂此时已经通过碳沉积而失活。在熔融合金体系中,不溶性碳漂浮在表面上,从而可以被提取。含 27% Ni 和 73%Bi 的合金在1.1米的泡罩塔中,1065℃ 情况下达到了95%的甲烷被转化,并能产生不含CO2或其他副产物的纯氢气。计算表明,熔融合金中的活性金属会呈现原子分散并带有负电荷。而且,原子上的电荷量与其催化活性之间有相关性。(ScienceDOI: 10.1126/science.aao5023)

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  3. 紧凑维度和单一等离子体表面

  (Compacted dimensions and singular plasmonic surfaces)

  在高阶的场论中,空间可以有四个以上的维度,超维度在日常的长度尺度上被描述为紧凑和不可观测的。Pendry 等人报导了一个与场论无关的简单模型,在一个金属的超表面中实现了一个紧凑的维度,它是包含一系列奇点的光栅的周期性结构。光栅的超维度是隐藏的,并且表面等离激元激发尽管局限于表面,但是由三个波矢表征而不是典型二维金属光栅的两个波矢。而且, Pendry 等人还提出了一个掺杂石墨烯层的实验来实现方法。(Science DOI: 10.1126/science.aap7939)

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  4. 自组装肽半导体

  (Self-assembling peptide semiconductors)

  半导体是现代电子和光学行业的核心。传统的半导体材料具有固有的局限性,特别是在新兴领域,存在诸如生物系统的界面和自下而上的制造方法等受局限的方面。包含短肽的自组装纳米结构家族是有希望用作仿生和耐用的纳米级半导体的材料。高度有序和定向的分子间p-p相互作用和氢键网络能够使得肽自组装体内形成量子限制结构,从而将超结构的带隙减小到半导体区域。因为结构种类众多并且对肽自组装的修饰很简单,所以它们的半导电性可以很容易地进行调整、掺杂和功能化。因此,这类电活性超分子材料可以弥合无机半导体世界与生物系统之间的差距。(Science DOI: 10.1126/science.aam9756)

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  5. 几乎零能量损失地由甲烷通过热电化学生产压缩氢

  (Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss)

  传统的氢气生产需要大型工业设备来使能量损失和蒸汽重整、水气变换、产物分离以及压缩相关的资金成本最小化。Malerød-Fjeld 等人介绍了一种质子膜重整器(PMR),它可以在单级过程中通过蒸汽甲烷重整生产高纯度氢气,并且能量损失几乎为零。这是利用了一种基于BaZrO3的质子传导电解质作为致密膜,沉积在具有双重功能的多孔Ni复合电极上作为重整催化剂。在800°C时,通过去除产99%的氢气,同时电化学压缩到50巴,实现了甲烷的完全转化。通过耦合几个热化学过程,他们实现热平衡操作状态。一个小规模(每天 10 千克氢气)制氢装置的模拟显示出整体能源效率超过了 87%。结果表明,有可能使PMR成为整合了二氧化碳捕集的工业规模氢气工厂的竞争替代品,降低未来电价。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0029-4)

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  6.谷光子晶体中稳健扭结态的拓扑保护折射

  (Topologically protected refraction of robust kink states in valley photonic crystals)

  最近发现的谷光子晶体(VPC)具有类似许多二维(2D)带隙谷电子材料的独特性质。光通信最令人感兴趣的是它能够支持具有相反谷-Chern指数的两个VPC之间内畴壁处的拓扑保护手性边缘(扭结)状态的能力。Gao 等人试验性地展示了由自旋兼容的四波段模型设计而成的 VPC中偏振复用的谷极化扭结态。当谷赝自旋守恒时,发现扭结态通过内部畴壁与将VPC与环境空间隔开的外部边缘相交,形成了近乎完美的耦合效率。即使当通过在VPC域之一中引入有效的自旋轨道耦合来打破类自旋极化自由度(DOF)时,外耦合仍保持拓扑保护特征。这也构成了首次实现拓扑谷输运的自旋谷锁定。(Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4304)

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  7. 双层石墨烯中的可调激子

  (Tunable excitons in bilayer graphene)

  激子,即固体材料中电子和空穴的束缚态,它在绝缘体和半导体的光学性质中起着关键作用。Ju 等人报导了利用六方氮化硼封装的高质量BLG的光电流谱观测双层石墨烯(BLG)中的激子。他们观察到了两个突出的激子共振,其具有可以从中红外线到太赫兹范围调节的窄线宽。这些激子遵循与传统半导体不同的光学选择规则,并且电子赝自旋缠绕数为 2。外部磁场引起谷激子的大分裂,对应的g因子约为 20。这些发现为利用电子可调谐石墨烯系统的赝自旋图谱来探索激子物理提供了机遇。(Science DOI: 10.1126/science.aam9175)

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  8.具有精确分子筛和超快溶剂渗透功能的超薄石墨烯基薄膜

  (Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation)

  氧化石墨烯(GO)膜由于其独特的分子筛特性和快速渗透性而持续吸引着人们浓厚的兴趣。然而,对它的使用仅限于水溶液,因为GO膜对于有机溶剂而言是不可渗透的,这种现象至今还无法完全理解。Yang 等人报导了利用由(10-20μm)薄片制成的平滑二维(2D)毛细管的GO层压体来实现的有机溶液的快速过滤。在不改变筛分特性的情况下,这些膜可以做得极薄(低至 10nm),这造就了水和有机溶剂的高速渗透。Yang 等人认为这种有机溶剂渗透和筛分性质,是因为通过了宽度为1nm的短石墨烯通道互连的随机分布小孔。随着膜厚度的增加,有机溶剂渗透速率呈指数衰减,但水仍维持高速渗透,与此前提到的一致。他们通过展示对溶解在甲醇中的小分子量有机染料的排斥超过 99.9%,证明了超薄GO层压材料用于有机溶剂纳米过滤的潜力。本文工作极大地扩展了在提纯和过滤技术中使用GO膜的可能性。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5025)   

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