关注 | Nature& Science：8月材料领域科研成果汇总 国内进账3篇

Nature在线发表了武汉大学刘正猷教授、邱春印教授（共同通讯作者）团队题为“Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal”的文章，报道了由Weyl声子晶体所承载的拓扑表面波的负折射，这是最近发现的Weyl半金属的声学模拟物。发生这种拓扑负折射的界面是分离晶体不同侧面的一维边缘。通过剪裁Weyl声子晶体的表面端部，可以设计表面声波的恒定频率轮廓，以在某些界面产生负折射，同时在同一样品内的不同界面实现正折射。相比更为常见的表面波行为，由于恒定频率轮廓的开放性，报道的晶体可以防止不必要的反射，这是Weyl晶体拓扑保护表面状态的标志。

文献链接：Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal（Nature，2018，DOI: 10.1038//s41586-018-0367-9）

北京科技大学的陈骏教授以及邢献然教授（共同通讯作者）等人提出了新型“相间应变”的策略并以此在超四方性薄膜上实现了巨大极化。该研究发现利用晶格结构相似、晶格参数不同的两种材料，在外延生长时晶界处的晶格参数是相互匹配的，从而可在材料间产生各向同性应变，即“相间应变”。利用这种“相间应变”策略，研究人员在PbTiO₃外延复合铁电薄膜上引入高负压从而实现了巨大的极化性能，其剩余极化强度可达到236.3微库伦/cm2，是现有已知铁电体的2倍。此外，这种薄膜的超四方性相在725℃的高温下依然稳定，而对应块体的相转变温度却只有490℃。

文献链接：Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan2433）

麻省理工学院的Yoel Fink（通讯作者）团队提出了一种可扩大生产的热拉伸工艺（drawing process）用于制备电连接的二极管纤维。研究人员首先构建了离散的二极管预制品并将其内置到空腔边缘，接着铜线或者钨线可在空腔中进行连通操作（feed through），当这些预制件被加热拉伸时，这些金属导线就会逐渐靠近二极管直至形成电接触，最终可将数以百计的二极管平行连接到单根纤维中。利用这一新型加工工艺制造的纤维及其织物可以实现具备优异数据传输能力的光学通讯，也为在纤维中引入电子器件提供了新的策略。

文献链接：Diode fibres for fabric-based optical communications（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0390-x）

北卡罗来纳大学教堂山分校Olexandr Isayev教授和伦敦帝国理工学院Aron Walsh（共同通讯作者）总结了机器学习用于化学与材料领域的最新进展。文中概述了适用于解决该领域研究问题的机器学习技术，以及在该领域的未来发展方向。同时也设想了一个可以通过人工智能来加速分子和材料的设计、合成、表征和应用的前景。在这篇文章中，研究人员回顾了机器学习的基础知识，确定了现有方法有望加速研究进程的领域，并且考虑了实现更广泛的影响所需要的发展方向。

文献连接：Machine learning for molecular and materials science（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0337-2）

康奈尔大学的Lena F. Kourkoutis（通讯作者）课题组采用冷冻电镜技术观察到了锂金属电池中界面膜和枝晶的纳米级结构并以此全面深入地理解了发生在该界面的化学过程。该研究通过快速冷冻液体成分（玻璃化液体电解质），获得了自然状态下锂金属电池中的界面膜结构，之后再利用冷冻扫描透射电镜技术（cryo-STEM）可对这些界面进行结构和化学图谱（mapping）表征。实验表征结果发现，在锂金属电池负极共存着两种不同类型的枝状物，其中一种拥有外延的SEI层，而另一种枝状物则由锂的氢化物组成，这一不同枝状物的共存现象可能为电池容量减少的机理解释提供有力的证据支持。该文也阐明了冷冻电镜技术在探测功能器件界面过程的研究中具有潜在的应用价值。

文献链接：Cryo-STEM mapping of solid–liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0397-3）

美国加州大学伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授（共通通讯作者）合作报道了拓扑工程修饰GNR超晶格的合理设计和实验实现，从而产生了难以获得的电子结构；此外，该策略还能将新的终态直接设计到一维GNR超晶格的末端。原子级精确的拓扑GNR超晶格由Au（111）表面上的分子前体在超高真空条件下合成，并通过低温扫描隧道显微镜（STM）和光谱学得以表征。实验结果和第一性原理计算表明，该GNR超晶格的边界能带结构（满带和空带）完全由相邻拓扑界面态之间的耦合所定义，这种非凡的一维拓扑相为基于电子拓扑学一维材料的能带精确调控提供了一种途径，同时其也是一种有前景的一维量子自旋物理学研究平台。

文献链接：Topological band engineering of grapheme nanoribbons（Nature，2018，DOI：10.1038/s41586-018-0376-8）

上海科技大学左智伟研究员（通讯作者）团队将配位体与金属的电荷转移（LMCT）催化应用于醇原料的直接活化，使得烷氧基自由基介导的环状醇的骨架重排和通过氢原子转移（HAT）的伯醇实现C-H官能化。利用吸收的光能通过瞬时配位的Ce(IV)-醇盐的均裂促进靶向氧化，在温和且操作简单的条件下用廉价的铈（III）盐作为前驱光催化剂，实现了高催化效率（甲烷的转化数高达2900，乙烷的转化数为9700）和选择性。配体-金属电荷转移激发产生于简单醇生成的烷氧基，其反过来充当HAT催化剂。混合相气/液反应适合于连续流动，使气体原料在光催化转化中得到有效利用。这种光催化平台已经实现了甲烷和其他简单烃的几种直接转化，包括胺化，烷基化和芳基化，并为原料烷烃的进一步官能化提供了可靠的机会。

文献链接：Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat9750）

新加坡国立大学的S. Adam教授（通讯作者）团队采用非微扰、精确数值的投射量子蒙特卡洛方法以可控的方式研究可观测物理量的演化，研究发现，在由长程相互作用所控制的区域，费米速度的增强与微扰理论一致。相反地，在靠近由短程相互作用所控制的相变区域，研究人员发现费米速度会被抑制并且数值数据也会崩溃，而对于一条曲线上的长程和短程相互作用的比例也会产生不同的值。此外，研究人员通过重整化群方案将量子蒙特卡洛结论外推到与实验相关的能量标度，所预测的可观测量将取决于库仑相互作用的短程和长程分量以及所观测的能量标度（所有参数都可以在当前的实验中进行调整）。

文献连接：The role of electron-electron interactions in two-dimensional Dirac fermions（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aao2934）

在苏黎世联邦理工学院M. Fiebig教授（通讯作者）团队的带领下，与瑞士保罗谢尔研究所、德国波恩大学、瑞典斯德哥尔摩大学、法国皮卡第大学、日本高能加速器研究机构、日本东京大学、俄罗斯卡尔波夫物理化学研究所、奥地利维也纳工业大学和挪威科技大学合作，分别报告了磁电材料Co₃TeO₆和多铁材料Mn₂GeO₄中的整个铁磁和铁电畴图案的反转。在这些材料中，施加的磁场分别反转每个域的磁化或极化，但保留域图案完整。Landau理论表明，这种类型的磁电反转在具有复杂排序的材料中是通用的，其中一个有序参数保持域结构的记忆，而另一个设置其整体符号。域模式反转只是多重铁氧体(multiferroics)等系统中以前未被注意到的效应的一个例子，其中多个有序参数可用于组合。 因此，探索这些效应可以将多铁性推进到新的功能水平。

文献链接：Magnetoelectric inversion of domain patterns（Nature, 2018, DOI：10.1038/s41586-018-0432-4）

加拿大滑铁卢大学的L. F. Nazar（通讯作者）课题组报道了一种可通过高度可逆的四电子氧化还原反应产生氧化锂的新型锂-氧电池。研究人员首先将操作温度提高到150℃，在这一温度上热力学驱动力更倾向于形成氧化锂而非过氧化锂。而由镍纳米颗粒组成的非碳复合正极则能够原位形成锂镍氧化物（Li_xNiO₂），可以作为促使氧氧键可逆断裂-形成的高效电催化剂。这使得电池在放电时可以产生高达11mAh/cm²的容量，而充电时氧气又可以在低过电势下进行反应。这一研究工作表明了锂-氧电化学可以突破现有电解质和超氧产物等产生的限制，实现接近100%的库伦效率。

文献链接：A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aas9343）

美国国家标准与技术研究院的J. A. Stroscio（通讯作者）等人利用隧道测量技术成功地将环形石墨烯谐振器中空间约束和磁约束之间的相互影响可视化，并直接观测到了电子相互作用的痕迹。石墨烯是一种表面暴露大量电子的二维材料，因此被认为是研究外加场中能级变化的理想材料。研究人员首先将石墨烯器件冷却到绝对零度左右，以便创造量子点-小岛作为人工原子，在强度为1特斯拉的磁场中，量子点中的电子堆积更加紧密，相互作用也被加强，最终这些电子将被以导电-绝缘同心环交替的形式进行重排。通过扫描隧道显微镜，不同电子能级的同心环图像被堆放在一起最终实现婚礼蛋糕型结构。因此这一研究为极端条件下观测和了解量子-相对物质的行为提供了有效的方法。

文献链接：Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar2014）

加州大学洛杉矶分校的杨阳教授和Qifeng Han（共同通讯作者）等人通过改进叠层器件中的输运顶电极（transport top eletrode）、ICL以及空穴传输层（HTL）等结构，在无需调整CIGS器件结构的情况下成功地对叠层太阳能电池进行了性能优化。在这一电池中，研究人员对CIGS表面进行了纳米尺度的界面构建设计，并利用高度掺杂的PTAA作为子电池之间空穴传输层，以此来保留开路电压和增强填充因子以及短路电流。再将半透明且带隙宽度为1.59eV的钙钛矿和带隙宽度为1.00eV的CIGS分别作为子电池，这一结构改进的叠层电池的能量转化效率可以达到22.43%，并且工作500小时后的效率还能保持在初始效率88%左右。

文献链接：High-performance perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ monolithic tandem solar cells（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat5055）

来源：材料人

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