Science盤點: 4月材料領域重大進展

Science期刊材料領域科研成果4月大豐收，科研成果快覽，新能源、材料制備、電子電工……你所感興趣的，都在這里！

1、Science: 利用太陽光從空氣中收集水資源的金屬-有機框架器件

美國加州大學伯克利分校的Omar M. Yaghi教授和美國麻省理工學院的Evelyn N. Wang學者（共同通訊作者）等人報道了該課題組在金屬-有機框架（MOF）用于水收集領域的成果。他們設計了介孔MOF-801 [Zr₆O₄(OH)₄(富馬酸)₆] ，通過表征后證明它可以在潮濕空氣中接受1 kW m^-2強度的太陽光照射下捕獲水。相對濕度為20%時，每公斤MOF可實現在沒有外界能量供應時，每天收集2.8升水的效果。

文獻鏈接：Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight( Science? 2017, DOI: 10.1126/science.aam8743 )

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2、Science: 史上最低密度MOF誕生！

美國西北大學Omar K. Farha （通訊作者）等人報道了一例由簡單結構單元構建的結構復雜的基于鈾的介孔MOF，即NU-1301 。結構包含10個鈾節點和7個羧酸鹽配體；在173.3埃的立方晶胞中包含816個鈾節點和816個有機配體，這是在非生物材料中迄今發現的最大晶胞。立方體組成五角和六邊的柱狀次級結構，然后是四面體和金剛石四級拓撲結構共同構成史無前例的復雜結構。得到的三級結構的空穴內徑達到5.0nm和6.2nm，是迄今為止報道的最低密度的MOF。

文獻鏈接：Bottom-up construction of a superstructure in a porous uranium-organic crystal (Science. 2017, 10.1126/science.aam7851)

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3、Science: 超快速瞬態吸收顯微鏡監測混合鈣鈦礦中熱載流子的遠程輸運

美國普渡大學的黃麗白教授（通訊作者）等人報道了關于捕獲混合鈣鈦礦中熱載流子的最新研究成果。該研究團隊利用具有50 nm空間精度和300 fs時間分辨率的超快速瞬態吸收顯微鏡(TAM)直接觀察CH₃NH₃PbI₃薄膜中熱載流子的遷移，發現并揭示了熱載流子三種不同的運輸方式，包括初始熱載流子的準運輸，用于受保護長壽命熱載流子的非平衡運輸，以及用于冷卻載流子的擴散運輸。研究者所觀察到的準三重運輸與剩余動能相關，該剩余動能導致熱載流子具有長達230 nm的運輸距離，并且可以克服晶界的阻礙進行運輸。在達到擴散運輸極限之前，非平衡運輸能夠持續數十皮秒，運輸距離約600 nm。這些結果表明基于混合鈣鈦礦形成的熱載流子裝置具有潛在的應用價值。

文獻鏈接: Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy(Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam7744)

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4、Science: 由液相剝離納米片網絡制作的全印刷薄膜晶體管

愛爾蘭都柏林圣三一學院的Jonathan N. Coleman和Toby Hallam（共同通訊）等人研究了基于液相剝離法制備的納米片，并用其制作了全印刷的薄膜晶體管。實驗中利用電解液柵極證明了全印刷、垂直堆疊的晶體管是可行的，這些晶體管是由石墨烯源極、漏極和柵電極構成，還包括過渡金屬硫族化物溝道以及氮化硼隔離層，上述材料都是由納米片網絡構成的。納米片網絡表現出了接近600的開/關率，其跨導超過5mS，遷移率大于0.1 cm²V^-1s^-1。其開電流會隨網絡厚度和體積電容按比例變化。相比其他具有類似遷移率的器件，較大的電容和受阻礙的轉換速度使得這些器件可以在相對較低的驅動電壓下傳輸更高的電流。

文獻鏈接：All-printed thin-film transistors fromnetworks of liquid-exfoliated nanosheets（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4062）

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5、Science: 通過二氧雜硼烷復分解反應對普通熱塑性塑料改性制備高性能塑料vitrimers

巴黎市工業物理化學學校的Renaud Nicola?和Ludwik Leibler（共同通訊作者）等人報道了通過二氧雜硼烷的復分解反應，利用不同聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和高密度聚乙烯等聚合物制備Vitrimers，并且發現其反應快速。盡管Vitrimers已經永久性交聯但仍可以通過擠出或注射成型反復加工。它們具有優異的耐化學性和尺寸穩定性，可以有效地組裝。該方法適用于由碳-碳單鍵構成骨架的聚合物。

文獻鏈接：High-performance vitrimers from commodity thermoplastics through dioxaborolane metathesis（Science，2017，DOI：10.1126/science.aah5281）

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6、Science: 跨越60年的難題-日本科學家成功合成超難結構有機碳納米帶

日本名古屋大學Yasutomo Segawa教授和Kenichiro Itami教授（共同通訊作者）等人報道了該研究團隊合成碳納米帶的最新研究成果，該成果屬于日本科學技術署（ JST-ERATO ）的Itami分子納米碳項目。該科研團隊首先通過迭代Witting反應合成環戊烯異構體CNT帶段(文中標記為1)，然后再由鎳介導的芳基-芳基偶聯反應來合成包含完全融合的邊緣共享苯環的閉環的碳納米管。通過X射線晶體學證實該合成物具有圓柱形帶結構，并且通過紫外-可見吸收光譜、熒光光譜和拉曼光譜研究以及理論計算闡明了其基本光電特性。同時，研究者提出該分子具有用作制備結構定義良好的碳納米管的潛在可能。

文獻鏈接: Synthesis of a carbon nanobelt (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam8158)

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7、Science: 基于碳烯-金屬-酰胺的高效發光二極管

劍橋大學的Dan Credgington、東安格利亞大學的Manfred Bochmann和東芬蘭大學的Mikko Linnolahti（共同通訊）等人研究了基于碳烯-金屬-酰胺的高效發光二極管。介紹了一種新型的線性供體-橋-受體發光分子，并可以基于液相法制作在高亮度下內量子效率接近100%的LEDs，其性能的關鍵在于對于三重態的快速、有效利用。結合時間分辨光譜法得知，發光過程是在到單重態反轉系間竄越后，通過在環境溫度中350ns內發生的三重態產生的。實驗中發現分子幾何形態中存在的單重-三重態能隙接近于零，這使得快速互換成為可能。計算結果表明交換能量可以由關于橋的供體和受體部分的相對轉動所調控。不同于其他低交換能量系統，其本身的振子強度是由單重-三重態簡并點所保持的。

文獻鏈接：High-performance light-emitting diodes based on carbene-metal-amides（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aah4345）

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8、Science: 溶液中納米粒子膠體氧化過程的3D定量形態演化表征

美國天普大學的孫玉剛教授，阿貢國家實驗室的Zuo Xiaobing和Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan（共同通訊作者）等人利用X射線衍射和分子動力學計算模擬去跟蹤Fe納米粒子膠體在氧化過程中亞納米級分辨率下的組成和3D形態演化，實現對納米粒子化學轉化的實時分析。原位觀察于大尺度反應分子動力學模擬結合，揭示了固體金屬納米顆粒通過納米尺度的Kirkendall效應到中空金屬氧化物納米殼的轉變細節。

文獻鏈接：Quantitative 3D evolution of colloidal nanoparticle oxidation in solution（Science,2017, DOI: 10.1126/science.aaf6792）

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9、Science: 新型高性能、安全的可充電Ni-3D Zn電池！

美國海軍研究實驗室Debra R. Rolison（通訊作者）等人將Zn制備成三維海綿，發現整塊的Zn海綿正極可在Ni-Zn堿性電池中循環上千次，而不會發生鈍化或形成大尺度的枝晶。并證實了3D形貌的Zn在三個使用領域可極大的提高Ni-Zn堿性電池的性能：（1）原電池中>90%的理論放電深度（DODZn）；（2）在與鋰離子相稱的比能量下，在40% DODZn達到>100次的高倍率循環；（3）快速啟動-停止運行周期需要大量能量供給的混合動力設備。

文獻鏈接：Rechargeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion（Science，2017，DOI：10.1126/science.aak9991）

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10、Science: 膠體溶液法制備La摻雜BaSnO₃電極

韓國化學技術研究所的Jun Hong Noh和 Sang Il Seok（共同通訊作者）報道了利用過氧化物膠體溶液在非常溫和的條件下（300℃一下）制備出LBSO。La摻雜的BaSnO₃（LBSO）可很好的替代介孔TiO₂作為鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層。制備的LBSO用于鈣鈦礦太陽能電池，呈現出穩定的功率轉化效率，達到21.2%，1000小時光照射后仍能保持最初性能的93%。

文獻鏈接：Colloidally prepared La-doped BaSnO₃ electrodes for efficient, photostable perovskite solar cells（Science，2017，DOI：10.1126/science.aam6620）

11、Science: Cd₂Re₂O₇中電子向列相的對稱破壞

加州理工學院D. Hsieh（通訊作者）等人利用光學各向異性的二次諧波空間分辨譜在燒綠石Cd₂Re₂O₇中揭示了多極向列相。與早先發現的電子向列相相似，當保留平移不變，這個多極相自發的破壞了旋轉對稱性。通過檢測多級向列相有序參數的臨界行為，表面在Cd₂Re₂O₇中，200K附近驅動熱相變，包括二次對稱破壞晶格扭曲。

文獻鏈接：A parity-breaking electronic nematic phase transition in the spin-orbit coupled metal Cd₂Re₂O₇（Science，2017，DOI：10.1126/science.aad1188）

12、Science: TiO₂納米晶間的范德華吸引力

西北太平洋國家實驗室的Kevin M. Rosso和Chongmin Wang以及匹茲堡大學的Scott X. Mao（共同通訊作者）等人根據金紅石TiO₂相互取向和表面水合作用，測試了分子間的范德華吸引力。十幾個納米的距離，相互間的吸引力很弱并沒有表現出與方位或表面水合作用相關的影響。當距離接近一個水合層時，吸引力與方位有著很強的關系，并隨著中間水密度的增加而降低。

文獻鏈接：Direction-specific van der Waals attraction between rutile TiO₂ nanocrystals（Science，2017，DOI：10.1126/science.aah6902）

本文由材料人學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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