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Nature Science 9月材料领域科研成果汇总
- by wittx 2019-11-24
1. Science：配体诱导选择性渗透制备ZIF膜
美国明尼苏达大学Michael Tsapatsis教授（通讯作者）团队基于ZnO在多孔载体中的原子层沉积（ALD）然后配体-蒸气处理的全气相处理方法证明了ZIF纳米复合膜的制造。与以往所有通过逐渐填充载体孔或在其表面上形成沉积物来形成薄的选择性MOF分子筛层的方法不同，当前方法首先用非渗透沉积物阻塞孔隙，然后通过LIPS将其转换为选择性MOF。在ALD之后，所获得的纳米复合材料表现出低通量和不具有选择性，而在配体-蒸气（2-甲基咪唑）处理之后，它部分转化为ZIF并且表现出稳定的性能，丙烯具有比丙烷高的混合物分离因子和高丙烯通量。通过配体诱导的非选择性和不可渗透沉积物的渗透分离的膜合成，显示出简单且高度可再现性，具有可扩展性的前景。相关成果以题为“Zeolitic imidazolate framework membranes made by ligand-induced permselectivation”发表在Science上。
文献链接：Zeolitic imidazolate framework membranes made by ligand-induced permselectivation（Science,2018,DOI：10.1126/science.aat4123）
材料牛资讯详戳：今日Science全新制备工艺：全气相处理法制备的ZIFs膜
2. Science：效率为17.3 %的有机和液相处理的串联太阳能电池
国家纳米科学中心的丁黎明研究员和南开大学的陈永胜教授、万相见教授（共同通讯作者）等人合作通过实验和理论模型相结合的模式，对材料和器件进行了优化设计，从而获得了能够更加有效利用光能的有机太阳能电池。该合作团队首先利用半经验分析理论预测了有机太阳能电池可达到的最高功率转换效率（PCE）和活性层材料的参数要求，认为在合适的条件下有机太阳能电池的PCE可突破25%。以此模型为基础，研究人员利用在可见光区域和近红外区域具有良好互补吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分别作为前电池和后电池的活性层材料，并采用与工业化生产相适应的溶液加工方法，制备得到了2终端的叠层有机太阳能电池，其PCE高达17.3%。这一研究所获得的光电转换效率刷新了目前已有文献报道的有机太阳能电池最高效率，使得有机太阳能电池的产业化前景更加明朗。2018年9月14日，相关成果以题为“Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency”的文章在线发表在Science上。
文献链接：Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat2612）
材料牛资讯详戳：南开大学&国家纳米科学中心Science:突破PCE记录的叠层有机太阳能电池
3. Nature：分层液晶聚合物结构的三维印刷
瑞士苏黎世联邦理工学院的K. Masania、T. A. Tervoort以及A. R. Studart（共同通讯作者）等人借鉴了自然界中坚固生物材料的生长机理来制备可循环利用的新型轻质结构。当温度高于熔融温度时，热致变液晶芳族聚酯中的刚性分子片段能够自组装成液晶向列区（Nematic domains），特别是在熔融状态的该种聚合物通过3D打印器的喷嘴进行挤出行为时，流体能够在流动方向上调整对齐液晶向列区。基于此现象，研究人员利用该种液晶聚合物分子在3D打印过程中沿着打印路径的自组装行为实现了材料结构各向异性生长，之后结合材料的各向异性和由3D打印赋予的复合成型能力能够进一步优化结构的机械性能，其刚度、强度以及韧性均比目前的3D打印聚合物材料高出一个数量级，可以与高性能轻质材料相提并论。2018年9月12日，相关成果以题为“Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures”在线发表在Nature上。
文献链接：Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0474-7）
材料牛资讯详戳：复合材料大牛A. R. Studart最新Natrue:分级液晶聚合物结构的3D打印
4.Nature：由截角四面体量子点组装的超结构
美国布朗大学的Ou Chen教授（通讯作者）在Nature上发表文章，题为“Superstructures generated from truncated tetrahedral quantum dots”。作者报道了通过控制组装条件，将去顶四面体量子点（TTODs）纳米晶体组装成三种不同的超结构——一维手性四螺旋、二维准晶近似超晶格和基于三维团簇的体心立方单晶。利用实空间和倒易空间中的技术，作者团队成功地表征了从纳米晶体平移有序到单个量子点的原子取向排列的超结构。作者的组装模型表明，纳米晶超结构的形成主要是由四面体的各向异性斑片状引起的选择性面对面接触所决定的。这项研究提供了关于将非球形纳米晶体组装成复杂超结构的信息，并可能增强自组装纳米晶超材料在实际应用中的潜力。
文献链接：Superstructures generated from truncated tetrahedral quantum dots，(Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0512-5)
材料牛资讯详戳：美国布朗大学Ou Chen教授今日Nature：来自去顶四面体量子点中的超结构
5. Science：钙钛矿太阳能电池商业化面临的挑战
韩国蔚山国家科学技术大学的Sang Il Seok、美国科罗拉多大学的Michael D. McGehee、加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent以及华中科技大学的韩宏伟（共同通讯作者）等人合作撰写了一篇综述，总结了PSCs领域的最新科研进展以及其在商业化道路上依旧存在的诸多挑战。PSCs自发展以来其光电转换效率不断提高，2009年的时候这一器件的PCE只有3.8%，随着今年来相关技术的迅猛发展PSCs的效率记录不断被打破，如今文献报道的PCE可以达到23.3%。然而，虽然器件效率在实验室里不断创造新高，PSCs的稳定性和扩大生产的挑战依然是商业化道路上最需要克服的挑战。近来，在温度55℃、功率为1kW/m2的照明作用下PSCs的寿命可达到1000小时左右，根据测算，这一辐照强度相当于能够在大多数欧洲国家提供10年的户外使用期限。另一方面，PSCs的扩大化生产也在稳步发展中。目前，光伏公司已经制备出大面积介观PSCs模块原型并开始着手生产这一类型的大面积PSC模块。近年来，光伏市场依旧处在扩张状态，这也意味着继续降低每瓦功率的成本是非常必要，这也要求光伏器件的效率和使用寿命都能有所提高，以此推进PSCs的商业化进程。2018年9月21日，相关成果以题为“Challenges for commercializing perovskite solar cells”的综述文章在线发表在Science上。
文献链接：Challenges for commercializing perovskite solar cells（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat8235）
材料牛资讯详戳：国内外四位大牛联手Science:钙钛矿太阳能电池的商业化挑战
6. Nature：晶体反铁磁氧化铁中的可调长程自旋输运
德国美因茨大学的R. Lebrun以及M. Klaui（共同通讯作者）等人在反铁磁绝缘体赤铁矿（α-Fe2O3）单晶中利用自旋霍尔效应展示了自旋流的长程传播行为。首先研究人员将电流通过赤铁矿单晶上的铂丝，一方面可以引发自旋霍尔效应产生横向自旋流，驱动自旋在铂-赤铁矿界面累积，这一累积富集过程能够进一步产生带有净角动量的自旋流。另一方面，通过铂丝的电流还能使得铂丝产生焦耳热引发横向温度梯度变化，从而可根据自旋塞贝克效应产生自旋流。这两种自旋流及其自旋电压最终共同构成了非本地电压（non-local voltage），可通过逆自旋霍尔效应进行检测。基于以上策略，研究人员通过计算测量发现赤铁矿这一简单反铁磁绝缘体传输自旋信息的距离可达到微米级别，与复杂铁磁体一样高效。2018年9月12日，相关成果以题为“Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide”在线发表在Nature上。
文献链接：Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0490-7）
材料牛资讯详戳：自旋电子学Natrue:反铁磁氧化铁中的可调长程自旋输运
7. Nature：纳米光栅图案策略实现自供电超柔性有机光伏
日本应急物质科学中心(CEMS)的Kenjiro Fukuda，Keisuke Tajima教授以及东京大学的Takao Someya教授（共同通讯）联合在Nature上发表文章，题为：Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics。在这里，作者实现了自供电超柔性电子器件的制备。当应用于皮肤或其他组织时，该器件能够以非常高的信噪比测量生物信号。作者将用作传感器的有机电化学晶体管与有机光伏电源集成在一微米厚的超柔性衬底上。使用高通量室温模塑工艺在电荷传输层上形成纳米光栅形态(周期为760nm)。这大大提高了有机光电转换器的效率，提供了高达10.5 %的高转换效率，并实现了每克11.46瓦的高功率重量值。有机电化学晶体管在生理条件下表现出0.8毫西门子的跨导和超过1千赫兹的快速响应，这导致心脏信号检测的最大信噪比为40.02分贝。作者的发现为下一代自供电电子产品提供了一个通用平台。
文献链接：Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics, (Nature, 2018, DOI: 10.1038/ s41586-018-0536-x)
材料牛资讯详戳：今日Nature：纳米光栅图案策略实现自供电超柔性有机光伏
8. Science：探索和设计细胞表面界面
伦敦帝国理工学院的Molly M. Stevens（通讯作者）等人在Science上发表了题为“Exploring and Engineering the Cell Surface Interface”的综述文章总结了探索细胞表面-材料之间界面行为的相关研究。传统的人工生物支架材料的构建着眼于从宏观层面匹配器官特点从而取代器官在体内发生作用。然而，体内细胞外基质（ECM）中的纳米结构能够形成天然的纳米纤维网络结构，为细胞提供支撑，并且能够形成具有导向性的环境以指导细胞的行为。因此，每一根纤维都蕴含着从细胞发展到组织的线索，而受此启发，设计建造同样结构精巧复杂的材料已成为现实。该文章便是旨在介绍利用天然纳米材料的构建方法设计更加仿生细胞环境的生物材料的相关研究。
文献链接：Exploring and Engineering the Cell Surface Interface（Science, 2005, DOI: 10.1126/science.1106587）
材料牛资讯详戳：Science经典综述鉴赏:探索构建可控制细胞行为的生物材料表面
9. Science：用于高效被动式白天辐射冷却的分层多孔聚合物涂层
被动辐射冷却(PDRC)包括通过反射阳光和向寒冷的外层空间辐射热量来自发冷却表面。当前的PDRC设计是最有希望来替代电冷却的方案，但是目前该技术存在效率低下，适用性有限等问题。来自美国哥伦比亚大学N. Yu和Y. Yang团队提出了一种简单、廉价和可扩展的基于相转化的方法来制造具有优异PDRC能力的多级多孔 (P(VdF-HFP)HP)涂层，实现了高效率的被动辐射冷却。性能等于或超过了最先进的PDRC设计。相关成果以题为“Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling”在线发表在Science上。
文献链接：Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling, (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat9513)
10. Nature：强关联kagome磁体中巨和各向异性自旋轨道可调谐性
磁场对一种物质的电子特性产生巨大的影响是很少见的。电流和磁场之间的相互作用对于许多类型的计算机存储器是很重要的。我们总是在寻找新的方法来通过电流控制磁性，反之亦然。来自美国普林斯顿大学的M. Zahid Hasan教授（通讯作者）团队结合矢量强磁场与高分辨扫描隧道显微镜发现了强关联kagome磁体Fe3Sn2的自旋轨道的巨大量子调控特性。相关成果以题为“Giant and anisotropic spin-orbit tunability in a strongly correlatedkagome magnet”在线发表在Nature上。
文献链接：Giant and anisotropic spin-orbit tunability in a strongly correlatedkagome magnet, (Nature, 2018,DOI: 10.1038/s41586-018-0502-7)
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