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《自然》《科学》一周(5.7-5.13)材料科学前沿要闻

放大字体  缩小字体    发布日期:2018-05-14  来源:新材料  浏览次数:56
核心提示:1. 能够自我报告和自我调节的液晶(Self-reporting and self-regulating liquid crystals)材料名称:液晶研究团队:美国威斯康星大学麦迪逊分校Abbott

1. 能够自我报告和自我调节的液晶

(Self-reporting and self-regulating liquid crystals)


材料名称:液晶

研究团队:美国威斯康星大学麦迪逊分校Abbott研究组


液晶(LC)是各向异性流体,它结合了晶体的长程有序性与液体的流动性。其具有的这些特性已被组合广泛用于创造能够以光学方式报告其环境信息的可重构材料,例如电场变化(智能手机显示)、温度变化(温度计)或机械剪切变化以及化学和生物刺激(传感器)等。但对于响应性材料却仍存在尚未满足的需求,这些材料不仅需要传达其环境信息,而且还需要通过自我调节的化学相互作用转化环境。Kim 等人展示了一系列可以触发脉冲(瞬态)或连续释放初始时 LC 内的微型货物(含水微滴或固体微粒及其化学内容物)的刺激。由此液晶材料能够对目标物理、化学和生物事件以化学响应的方式进行自我报告和自我调节,具体响应方式可通过对不同几何形状(如井,膜和乳滴)中的弹性、电双层、浮力和剪切力的相互作用等进行预编程来实现。这些 LC 材料具有超出用于受控微载体释放的常规材料的能力,可以执行复杂的功能,例如以光学形式对刺激(例如由运动细菌产生的机械剪切应力)进行报告,然后通过反馈回路以自我调节的方式响应(例如,释放引起细菌细胞死亡所需的最小量的杀生剂)。(Nature  DOI: 10.1038/s41586-018-0098-y)   


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2. 水蒸汽促进合金氧化的原子起因

(Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation)


材料名称:镍铬合金

研究团队:美国太平洋西北国家实验室Chongmin Wang研究组  


对于蒸汽发生器、涡轮发动机、燃料电池、催化剂和腐蚀等许多材料应用来说,或有意或无法避免的水蒸气的存在,都是非常重要的。现象学上,人们已经注意到水蒸气会加速金属和合金的氧化。但这种氧化背后的原子机制却仍未可知。Luo 等人通过直接原位原子尺度透射电子显微镜观察和密度泛函理论计算,揭示了镍铬合金的水蒸汽增强氧化与质子溶解促进的阳离子和阴离子空位的形成、迁移和聚集有关。水解离产生的质子可以占据氧化物晶格中的间隙位置,从而降低空位形成能并降低阳离子和阴离子的扩散势垒,这便会导致温度升高的潮湿环境中的氧化增强。这项工作为水蒸汽增强合金氧化提供了新的见解,并且对涉及水蒸气的其他材料和化学过程(例如腐蚀、非均相催化和离子传导)具有重大影响。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0078-5)


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3.利用图案化介电超晶格的 2D 材料的能带结构工程

(Band structure engineering of 2D materials using patterned dielectric superlattices)


材料名称:石墨烯

研究团队:美国哥伦比亚大学Dean研究组


利用外部电场处理二维材料中电子为综合能带工程提供了一条途径。通过施加人工设计的空间周期性超晶格电位,电子性质可以进一步被改变,能够超出自然发生的原子晶体的限制。Forsythe 等人报导了一种新方法,即通过将表面电介质图案化并与原子级薄的范德华材料集成来制造高迁移率超晶格器件。他们通过分离器件组装和超晶格制造工艺,解决了在传统系统中限制超晶格工程的器件处理和迁移率降低之间棘手的折衷问题。原子级超薄材料的改进静电学,使相较先前示例的波长还要小的超晶格图案成为了可能。此外,Forsythe 等人观察到了具有低于 40nm 波长超晶格的弹道石墨烯器件中复制狄拉克锥的形成,并报导了来自具有人工设计晶格对称性的超晶格在大磁场下的分形霍夫斯塔特谱,其中所述晶格对称性不同于主晶体。这一研究结果为石墨烯和相关范德华力材料的能带结构工程建立了一个具有动态可调性的稳定且多样的技术。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0138-7)


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4. 甲烷在金属有机骨架中的催化化学选择性官能化

(Catalytic chemoselective functionalization of methane in a metal−organic framework)


材料名称:金属有机骨架化合物

研究团队:美国西北大学Farha研究组


甲烷是天然气储量中最大的构成部分,是用于合成高附加值化学品和燃料的低成本大储量原材料。因甲烷的固有活性较低,因此其选择性催化功能化是化学科学中的一个重要目标。氧硼化最近成为实现甲烷催化功能化的一个很有前景的途径。在这方面的一个主要挑战是对单甲基化产物(其比甲烷更具活性并且容易导致过度官能化)的选择性硼酸化。Zhang 等人报导了一种高度选择性的微孔金属有机骨架为载体的,甲烷氧硼化的铱催化剂,其对单氧硼化甲烷具有超过 99% 的化学选择性(单的相对于双的产率为 19.5%,转化数为 67),其中双(频那醇硼烷)作为十二烷中的硼化试剂,反应在 150℃ 和 34atm 的甲烷中进行。其中产物单氧硼化的这一倾向归因于金属-有机骨架孔结构的形状选择性作用。(Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0069-6)  


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5. 通过静电掺杂控制 2D CrI3 中的磁性

(Controlling magnetism in 2D CrI3 by electrostatic doping)


材料名称:二维CrI3-石墨烯异质结

研究团队:美国康奈尔大学Jie Shan研究组


二维材料所具有的原子厚度为控制其电学和光学性质以及通过静电掺杂驱动电子相变提供了独特的机会。二维磁性材料的发现为磁性的电控制和新功能器件的实现开启了新的前景。最近基于线性磁电效应的实验证实了能够通过电场控制双层 CrI3 中的磁序。但这种方法仅限于在反铁磁体-铁磁体转变附近磁偏置的非中心对称材料。Jiang 等人展示了利用 CrI3-石墨烯垂直异质结构来进行静电掺杂从而控制单层和双层 CrI3 的磁性。在单层 CrI3 中,掺杂显着改变了饱和磁化强度、矫顽力和居里温度,并表现出随着空穴/电子掺杂而增强/减弱的磁序。值得注意的是,在没有磁场的情况下,双层 CrI3 中 〜2.5×1013·cm-2 以上的电子掺杂会导致从反铁磁基态转变为铁磁基态。研究结果揭示了一种与掺杂强相关的层间交换耦合,其能通过很小的栅极电压实现双层 CrI3 中磁化的稳定转换。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0135-x) 


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6. 直接从空气中捕获二氧化碳

(Direct air capture of CO2 via aqueous-phase absorption and crystalline-phase release using concentrated solar power)


材料名称:碳酸盐晶体

研究团队:美国橡树岭国家实验室Custelcean研究组


利用负排放技术净化大气中的温室气体为限制全球气温上升提供了一条途径。直接空气捕获二氧化碳的方式为永久降低大气中二氧化碳浓度提供了良好的前景,若能提供经济和节能的技术便可以大规模开发和部署。Brethomé 等人报导了一种主要利用现成的材料和设备的实验室规模直接空气采集的方法。首先,利用家用加湿器,通过现成的环保氨基酸水溶液(甘氨酸和肌氨酸)便可以实现 CO2 吸收。然后含有 CO2 的溶液与简单的胍化合物(是非常难溶的碳酸盐结晶)反应,并再生出氨基酸吸附剂。最后,通过使用聚集的太阳能相对温和地加热碳酸盐晶体,可以实现高效的 CO2 释放和接近定量的胍化合物再生。(Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-018-0150-z)


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7. 从铁矿石赤铁矿中剥离非范德华材料

(Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite)


材料名称:二维材料 hematene (赤铁烯)

研究团队:美国莱斯大学Ajayan研究组


作为二维材料中被研究得最多的石墨烯,随着它的出现,已经有许多无机的类似物被合成出来并正在被开发用于新的应用。已经有多种方法可以用来来获得大颗粒、高质量的材料。例如,天然存在的矿石是通过剥落方法获得高度有序和大颗粒原子层的最佳前体。Balan 等人展示了一种新的二维材料 hematene (赤铁烯),它由通过液体剥离分离出的天然铁矿赤铁矿(α-Fe2O3)获得。透射电子显微镜确认了 hematene 的二维形态。磁性测量与密度泛函理论计算综合确认了 hematene 中的铁磁有序,而相对的其母体形式则呈现反铁磁有序。当负载在二氧化钛纳米管阵列上时,hematene 表现出了增强的可见光光催化活性。这一研究表明尽管能带排列不利于电荷转移,但光生电子仍可以从 hematene 转移到二氧化钛。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0134-y)   


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8. 二维铌-碳化物载体铂催化剂在中等温度下的反应性金属-载体相互作用

(Reactive metal–support interactions at moderate temperature in two-dimensional niobium-carbidesupported platinum catalysts)


材料名称:铌-碳化物载体铂催化剂

研究团队:美国爱荷华州立大学yue Wu研究组


反应性金属-载体相互作用(RMSI)提供了可用于调节催化活性位点的电子、几何和组分效应。一般来说,氧化物以外的载体不被视作 RMSI 的候选。Li 等人报导了铂和 Nb2CTx MXene(一种最近开发出的二维金属碳化物)之间非基于氧化物的 RMSI 的例子。可以减少二维碳化物的表面官能团,并在中等温度(350℃)下形成 Pt-Nb 表面合金。这种合金表现出的 CO 吸附比单金属铂还要弱。水煤气变换反应动力学显示,与非还原性载体或块状碳化铌相比,RMSI 能够稳定纳米颗粒并形成具有更高 H2O 活化能力的合金-MXene 界面。铂和铌-MXene 载体之间的 RMSI 可以延伸到 MXene 系列的其他成员,并为设计和操作功能性双金属催化剂开辟了新的途径。(Nature Catalysis  DOI: 10.1038/s41929-018-0067-8)   


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关键词: 黑体 晶格
 
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