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郑州华晶金刚石股份有限公司

《自然》《科学》一周(2.5-2.11)材料科学前沿要闻

2018-02-12 09:52:31|来源 新材料在线
摘要 1.将散装天然木材加工成高性能结构材料(Processingbulknaturalwoodintoahigh-performancestructuralmaterial)材料名称:...

       1. 将散装天然木材加工成高性能结构材料

       (Processing bulk natural wood into a high-performance structural material)

       材料名称:纤维素纳米纤维

       团队名称:美国马里兰大学Liangbing Hu 和 Teng Li研究组

       具有优异机械性能的合成结构材料往往受到重量过大和对环境影响不利(例如钢和合金)或复杂的制造工艺以及由此造成的高成本(例如基于聚合物的材料和仿生复合材料)的影响。天然木材是一种低成本且来源丰富的材料,被用作建筑和家具建筑的结构材料已有数千年的历史。但是,天然木材的机械性能(其强度和韧性)不能满足许多先进的工程结构和应用。利用蒸汽、加热、氨水或冷轧预处理,然后致密化,能够提高天然木材的机械性能。但是,现有的方法会导致致密化不完全,缺乏尺寸稳定性,特别是对于潮湿环境的反应,并且以这些方式处理的木材可能膨胀和变弱。Song 等人报导了一种简单而有效的策略,能够将块状天然木材直接转化成高性能结构材料,其强度、韧性和防弹性增加十倍以上,且尺寸稳定性更高。这种两步法包含天然木材通过在 NaOH 和 Na2SO3 的含水混合物中的沸腾处理去除木质素和半纤维素,随后进行热压,从而使天然木材的细胞壁完全塌陷和完全致密化,形成高度规则排列的纤维素纳米纤维。这种策略已被证明对于各种木材都是普遍有效的。这种加工木材具有比大多数结构金属和合金更高的特定强度,使其成为了一种低成本、高性能、轻量化的替代品。(Nature  DOI: 10.1038/nature25476) 

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       2. 一种拓扑量子光学界面

       (A topological quantum optics interface)

       材料名称:光子晶体

       团队名称:美国马里兰大学Waks和Hafezi研究组

       拓扑学在光学中的应用已经促成了开发具有抗干扰特性的光子器件的新模式。虽然拓扑现象在经典领域已经取得了相当大的进展,但是对于在量子领域中实现强光物质耦合仍然是一个未探索的课题。Barik 等人展示了单个量子发射器和拓扑光子态之间的稳定界面。该方法是在两个不同的拓扑光子晶体的边界处创建出稳健的反向传播边缘态。Barik 等人展示了量子发射体进入这些模式的手征发射,并建立起了它们避免尖锐弯折的稳健性。这种方法可以促进具有内置保护的量子光学器件的发展,在量子模拟和传感中具有潜在应用。(Science DOI: 10.1126/science.aaq0327)

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       3.电子束敏感的晶体材料的原子级分辨率TEM成像

       (Atomic-resolution transmission electron microscopy of electron beam–sensitive crystalline materials)

       材料名称:对电子束敏感的晶体材料(如:UiO-66晶体和CH3NH3PbBr3)

       团队名称:阿卜杜拉国王科技大学Daliang Zhang研究组

       电子束敏感材料的高分辨率成像是透射电子显微镜(TEM)最困难的应用之一。所面临的挑战是多方面的,包括极低电子束剂量下的图像采集,对晶带轴进行有时间限制的研究,图像的精确对齐以及过焦值的准确计算。Zhang 等人开发了一套方法来满足这些要求,并获得了一些被认为对电子束高度敏感的金属有机框架的原子分辨率 TEM 成像。高图像分辨率使得能够识别单个金属原子列、各种类型的表面终止和有机连接器中的苯环。Zhang 等人还将这一方法应用到了包括有机-无机杂化钙钛矿 CH3NH3PbBr3 在内的其它电子束敏感材料中。(Science DOI: 10.1126/science.aao0865)

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       4. 利用模板限制的 DNA 介导组装单个纳米颗粒构建的超晶格

       (Building superlattices from individual nanoparticles via template-confined DNA-mediated assembly)

       材料名称:纳米粒子的超晶格

       团队名称:美国西北大学Qing-Yuan Lin、Jarad A. Mason和Zhongyang Li联合研究组

       DNA程序化组装与自上而下的光刻技术相结合,可以在大面积的金表面上实现构建离散可重构的纳米粒子的超晶格。具有不同形状和大小的单个的胶体电浆纳米颗粒的组装是由含有“锁定的”核酸的寡核苷酸和由聚合物孔隙提供的受限环境控制的,从而产生定向结构,这种结构具有可调节布局的特征且在纳米和微米长度尺度上具有独立可控的距离。这些难以用其它常用的组装方法来构建的结构,为系统研究和控制纳米粒子光学材料中的光-物质相互作用提供了一个平台。通过识别具有溶剂极性响应的宽带吸收器,可以动态调节对可见光的吸收,从而探索了这种方法的普遍性和潜力。(Science DOI: 10.1126/science.aaq0591)   

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       5. 相干单原子超辐射

       (Coherent single-atom superradiance)

       材料名称:钡单原子

       团队名称:韩国首尔国立大学Kyungwon An课题组

       超辐射是通过相关的单原子协同发射光子在宏观系统中显现出的量子现象。对受控集体原子场相互作用的证明是源于能够直接印证与某个原子系统的相关性。Kim 等人报导了腔介导的相干单原子超辐射:即具有预定相关性的单个原子一个一个地通过高质量因子腔,并与已经穿过腔的 N 个原子合作发射光子。即使在腔内原子数小于 1 的情况下也能观察到与 N 的平方相关的增强集体光子发射。单原子之间的相关性是通过利用纳米孔阵列孔隙的纳米精度位置控制和原子的相位对准状态操纵实现的。该结果为相控原子场相互作用展示了一个平台。(Science  DOI: 10.1126/science.aar2179)  

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       6. 解耦电子和离子存储以及从界面存储到人造电极的途径

       (Decoupling electron and ion storage and the path from interfacial storage to artificial electrodes)

       材料名称:电池电极材料

       团队名称:德国马普固态研究所Joachim Maier课题组

       对可充电电池的需求向电极提出了很高的要求。高效存储不仅意味着要能容纳大量的离子和电子,而且要具有相当快的速度。通过解耦离子和电子的作用,材料空间可以被大大扩展,使得离子的传输和调节发生在复合材料的一个相中,而电子的传输和调节在另一相中。Chen 等人讨论的这个协同概念同等适用于正极和负极,对应例子来自于 Li 基电池和 Ag 基电池的文献。这个概念不仅有可能减轻功率密度和能量密度之间的平衡,而且还可以使纳米晶体的体积和界面储存成为普遍的观点。此外,他们还预测了对钝化层中的非均匀存储,转移电阻对电荷状态的依赖性,或在适当的接触处的非均匀氢存储。(Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-017-0084-x)

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       7. 对氧化物界面处二维空穴气体的直接观测

       (Direct observation of a two-dimensional hole gas at oxide interfaces)

       材料名称:二维空穴气体

       团队名称:威斯康星大学麦迪逊分校Eom课题组

       在 LaAlO3/SrTiO3 界面上发现的二维电子气(2DEG)促成了对传统半导体异质结构中不存在的许多性质的观测,并因此成为了器件应用的焦点。2DEG 的对应物二维空穴气(2DHG),预计将补充 2DEG。然而,虽然 2DEG 已被广泛观察到,但 2DHG 被证明是难以捕获的。Lee 等人展示了外延生长的 SrTiO3/LaAlO3/SrTiO3 异质结构中高度可流动的 2DHG。利用电传输测量和在线电子全息成像,Lee 等人提供了 2DHG 的直接证据,2DHG 与 2DEG 在同一结构的互补异质界面上共存。第一性原理计算,相干布拉格棒分析和深度分辨阴极发光光谱一致支持这一发现,即消除离子点缺陷是实现 2DHG 的关键。2DEG 和 2DHG 在单一氧化物异质结构中的共存为受限电子空穴系统的激发物理和开发应用提供了平台。(Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-017-0002-4)   

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       8. 柔性还原氧化石墨烯薄膜的热电特性和性能高达3000 K

       (Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K)

       材料名称:还原氧化石墨烯薄膜

       团队名称:美国马里兰大学Liangbing Hu课题组

       超高温热电材料的发展使得燃烧动力循环的热电封顶成为了可能,同时也扩大了能够集中太阳能直接进行热电发电的范围。但是,由于缺乏合适的材料,使得热电运行温度被限制在了 1500 K 以下。Li 等人展示了一种基于高温还原氧化石墨烯纳米片的热电转换材料,可以实现高达 3000 K 的可靠性。在 3300 K 下进行还原处理后,纳米片薄膜在 3000 K 高温和 S2σ = 54.5 μW·cm-1·K-2 高功率因子下显示出约 4000 S·cm-1 的电导率。Li 等人报导了测量表征出的薄膜热点特性高达 3000 K。还原的氧化石墨烯薄膜也表现出较高的宽带辐射吸收,并且可以充当辐射接收器和热电发生器。可印刷、轻质和柔韧的薄膜对于系统的集成和可扩展制造具有很大的吸引力。(Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-018-0086-3)

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