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《自然》《科学》一周(2.26-3.4)材料科学前沿要闻

2018-03-05 10:43:35|来源 新材料在线
摘要 1.理想Weyl点和人造光子晶体结构中的螺旋面状态(IdealWeylpointsandhelicoidsurfacestatesinartificialphotoniccryst...

       1. 理想 Weyl 点和人造光子晶体结构中的螺旋面状态

       (Ideal Weyl points and helicoid surface states in artificial photonic crystal structures)

       材料名称:人造光子晶体

       研究团队:英国伯明翰大学、深圳大学和中国科学院物理所

       Weyl 点是三维晶体线性分散能带的交叉点,它为探索各种奇妙的现象,如拓扑保护的表面状态和手性异常等提供了机会。但是,Weyl 点全部以相同的能量存在并与任何其它能带分离的理想 Weyl系统仍然比较缺乏,这对 Weyl物理学和潜在应用的进一步发展构成了严重的限制。通过对马鞍形金属螺圈微波光子晶体的实验表征,Yang 等人通过对称操作观察到了彼此相关的理想 Weyl 点,以及展现出螺旋结构的拓扑表面状态。这一系统为探索理想 Weyl 系统和开发可能的拓扑设备提供了一个光子平台。(Science DOI: 10.1126/science.aaq1221)

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       2. 对气体填充蛋白质纳米结构的声学调制磁共振成像

       (Acoustically modulated magnetic resonance imaging of gas-filled protein nanostructures)

       材料名称:气体填充蛋白质纳米结构

       研究团队:加州理工学院Shapiro研究组

       非侵入式生物成像所需要的材料,要能够与深度渗透形式的能量(例如磁场和声波)产生相互作用。Lu 等人展示了一种气囊(GV),一种独特的气体填充蛋白质纳米结构,相对于水具有微分磁化率,可以在亚纳摩尔浓度下产生强烈的磁共振成像(MRI)对比度,并且该对比度可利用原位超声消去,从而实现无背景成像。在体外、细胞内以及三种体内场景,证明了这些纳米结构作为遗传编码报导者的能力。GV 的不同遗传变异体的磁性或机械表型不同,从而能够利用参数化 MRI 和微分声学敏感性进行多路复用成像。此外,聚类诱导的 MRI 对比度变化使得动态分子传感器的设计成为了可能。通过结合 MRI 和超声波的互补物理学,这种纳米材料具有特殊优势和能力的独特分子成像方式。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0023-7)

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       3.通过分析 n-掺杂 C60 和 ZnPc 中的态密度来了解有机半导体的掺杂效率

       (Insight into doping efficiency of organic semiconductors from the analysis of the density of states in n-doped C60 and ZnPc)

       材料名称:有机半导体

       研究团队:德国德累斯顿工业大学Ortmann研究组

       掺杂在半导体物理学中起着至关重要的作用,其中 n-掺杂由杂质相对于导带边缘的电离能所控制。在有机半导体中,高效掺杂主要受到目前尚未充分了解的各种效应的影响。Gaul 等人利用正向和反向光电子能谱的模拟和实验测量了原型材料 C60 和由高效苯并咪唑啉基(2-Cyc-DMBI)进行 n-掺杂的酞菁锌的状态密度和费米能级位置。他们还研究了掺杂引起的间隙态的作用,特别是研究了未掺杂材料的电子亲和力与其掺杂对应物的电离势之间的差 Δ1 的作用。研究表明了这个参数对于自由载流子的产生非常关键且会影响掺杂膜的导电性。调整 Δ1 可能能够为优化有机半导体的电子性质提供替代策略。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0030-8)

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       4. 对振动激发分子在金属表面吸附和解吸的观测

       (Observation of the adsorption and desorption of vibrationally excited molecules on a metal surface)

        材料名称:金

       研究团队:德国哥廷根大学Wodtke研究组

       催化表面化学最常见的机制是 Langmuir 和 Hinshelwood (LH)。在 LH 机理中,先是反应物吸附,然后随表面热化,既而反应。对吸附在金属表面的分子测得的振动(弛豫)寿命都是在几皮秒的范围内。因此,除了通过分子物理吸附中间体时发生的 LH 反应之外,很少观察到对 LH 化学的振动促进。Shirhatti 等人对从 Au(111)表面振动激发的 CO 分子的吸附和随后的解吸进行了直接检测。结果表明,CO(v = 1)在 Au(111)表面上存在了约 1×10-10s。金属表面上吸附物如此长的振动寿命非常出人意料,这对当前对金属表面上的振动能量耗散的理解提出了有趣的挑战。这也表明表面化学的振动促进可能比一般认为的更普遍。(Nature Chemistry DOI: 10.1038/s41557-018-0003-1) 

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       5. 由溶剂促成的对生物质衍生化合物液相反应反应性的控制

       (Solvent-enabled control of reactivity for liquid-phase reactions of biomass-derived compounds)

       材料名称:生物质衍生化合物

       研究团队:威斯康辛大学麦迪逊分校Dumesic研究组

       在生物质转化反应中使用有机溶剂可以实现高速率和高选择性。Mellmer 等人阐明了有机溶剂混合物和水,对与生物质转化相关的酸催化脱水反应动力学的影响。基于反应动力学研究的结果,结合经典和从头算分子动力学模拟,表明了通过改变这些催化过程的初始和过渡态的溶剂化程度,可以提高液相中酸催化反应的速率。随着反应物中邻位羟基或含氧基团数量的增加,这些效应的程度也随之增加,从醇(丁醇)转移到二醇(1,2-丙二醇),转变为碳水化合物(果糖)。对这些溶剂效应的理解,可用于优化从果糖生产生物质平台分子羟甲基糠醛的速率和选择性。(Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0027-3)

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       6. 通过插层电子实现二维 SnS2 的空间可控掺杂

       (Spatially controlled doping of two-dimensional SnS2 through intercalation for electronics)

       材料名称:二维SnS2

       研究团队:斯坦福大学崔屹研究组

       掺杂半导体是现代电子器件最重要的构建元素。在硅基集成电路中,可以在不引入高电阻接口的情况下实现这些材料简易、可控的制造与集成。此外,二维(2D)材料的出现使得原子级薄集成电路得以实现。但是,这些材料的 2D 特性阻碍了使用传统离子注入技术进行的载流子掺杂,并进一步阻碍了器件的开发。Gong 等人展示了一种基于溶剂的插层方法,用以在原子级极限下在同一母材中实现 p-型掺杂,n-型掺杂和简并掺杂半导体。与自然生长的 n-型 S-空位 SnS2 相反,通过该技术获得的 Cu 插层双层 SnS2 表现出约 40cm2V-1s-1 的空穴场效应迁移率,并且所获得的 Co-SnS2 表现出金属化特性,表面电阻与几层石墨烯相当。将这种插层技术与光刻技术相结合,可以进一步实现空间和尺寸精确控制的原子级无缝 p-n 金属结,这使得面内异质结具有了用于集成器件和其它 2D 材料的实际可用性。由此,这种插入方法提供了将集成电路和原子级薄材料两个不同的世界连接到一起的新途径。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0069-3)

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       7. 框架化学在二氧化碳还原催化剂设计中的作用

       (The role of reticular chemistry in the design of CO2 reduction catalysts)

       材料名称:框架化合物

       研究团队:加州大学伯克利分校Yaghi研究组

       当前最先进的用于二氧化碳光电还原或电还原的催化剂仍存在的问题,在于没有一个单独的系统可以独立控制并由此优化活性、选择性和效率之间的相互影响。框架化学被认为能够以原子精度控制多孔结晶材料的化学和结构特征(活性和选择性)以及输出光电子性质(效率)。选择框架化学家工具箱中的分子构建模块能够合理地设计结构,框架化学用以整合催化活性组分,并且这些构建模块的连接方式赋予了期望材料具有的光电特性。这些方面可以独立进行微调的这一事实证明了框架化学的发展前景,有助于下一代二氧化碳还原催化剂的设计。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0033-5)

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