Science盘点: 4月材料领域重大进展

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Science期刊材料领域科研成果4月大丰收，科研成果快览，新能源、材料制备、电子电工……你所感兴趣的，都在这里！

1、Science: 利用太阳光从空气中收集水资源的金属-有机框架器件

美国加州大学伯克利分校的Omar M. Yaghi教授和美国麻省理工学院的Evelyn N. Wang学者（共同通讯作者）等人报道了该课题组在金属-有机框架（MOF）用于水收集领域的成果。他们设计了介孔MOF-801 [Zr₆O₄(OH)₄(富马酸)₆] ，通过表征后证明它可以在潮湿空气中接受1 kW m^-2强度的太阳光照射下捕获水。相对湿度为20%时，每公斤MOF可实现在没有外界能量供应时，每天收集2.8升水的效果。

文献链接：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诞生！

美国西北大学Omar K. Farha （通讯作者）等人报道了一例由简单结构单元构建的结构复杂的基于铀的介孔MOF，即NU-1301 。结构包含10个铀节点和7个羧酸盐配体；在173.3埃的立方晶胞中包含816个铀节点和816个有机配体，这是在非生物材料中迄今发现的最大晶胞。立方体组成五角和六边的柱状次级结构，然后是四面体和金刚石四级拓扑结构共同构成史无前例的复杂结构。得到的三级结构的空穴内径达到5.0nm和6.2nm，是迄今为止报道的最低密度的MOF。

文献链接：Bottom-up construction of a superstructure in a porous uranium-organic crystal (Science. 2017, 10.1126/science.aam7851)

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3、Science: 超快速瞬态吸收显微镜监测混合钙钛矿中热载流子的远程输运

美国普渡大学的黄立白教授（通讯作者）等人报道了关于捕获混合钙钛矿中热载流子的最新研究成果。该研究团队利用具有50 nm空间精度和300 fs时间分辨率的超快速瞬态吸收显微镜(TAM)直接观察CH₃NH₃PbI₃薄膜中热载流子的迁移，发现并揭示了热载流子三种不同的运输方式，包括初始热载流子的准运输，用于受保护长寿命热载流子的非平衡运输，以及用于冷却载流子的扩散运输。研究者所观察到的准三重运输与剩余动能相关，该剩余动能导致热载流子具有长达230 nm的运输距离，并且可以克服晶界的阻碍进行运输。在达到扩散运输极限之前，非平衡运输能够持续数十皮秒，运输距离约600 nm。这些结果表明基于混合钙钛矿形成的热载流子装置具有潜在的应用价值。

文献链接: 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: 由液相剥离纳米片网络制作的全印刷薄膜晶体管

爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan N. Coleman和Toby Hallam（共同通讯）等人研究了基于液相剥离法制备的纳米片，并用其制作了全印刷的薄膜晶体管。实验中利用电解液栅极证明了全印刷、垂直堆叠的晶体管是可行的，这些晶体管是由石墨烯源极、漏极和栅电极构成，还包括过渡金属硫族化物沟道以及氮化硼隔离层，上述材料都是由纳米片网络构成的。纳米片网络表现出了接近600的开/关率，其跨导超过5mS，迁移率大于0.1 cm²V^-1s^-1。其开电流会随网络厚度和体积电容按比例变化。相比其他具有类似迁移率的器件，较大的电容和受阻碍的转换速度使得这些器件可以在相对较低的驱动电压下传输更高的电流。

文献链接：All-printed thin-film transistors fromnetworks of liquid-exfoliated nanosheets（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4062）

5、Science: 通过二氧杂硼烷复分解反应对普通热塑性塑料改性制备高性能塑料vitrimers

巴黎市工业物理化学学校的Renaud Nicolaÿ和Ludwik Leibler（共同通讯作者）等人报道了通过二氧杂硼烷的复分解反应，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备Vitrimers，并且发现其反应快速。尽管Vitrimers已经永久性交联但仍可以通过挤出或注射成型反复加工。它们具有优异的耐化学性和尺寸稳定性，可以有效地组装。该方法适用于由碳-碳单键构成骨架的聚合物。

文献链接：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年的难题-日本科学家成功合成超难结构有机碳纳米带

日本名古屋大学Yasutomo Segawa教授和Kenichiro Itami教授（共同通讯作者）等人报道了该研究团队合成碳纳米带的最新研究成果，该成果属于日本科学技术署（ JST-ERATO ）的Itami分子纳米碳项目。该科研团队首先通过迭代Witting反应合成环戊烯异构体CNT带段(文中标记为1)，然后再由镍介导的芳基-芳基偶联反应来合成包含完全融合的边缘共享苯环的闭环的碳纳米管。通过X射线晶体学证实该合成物具有圆柱形带结构，并且通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱研究以及理论计算阐明了其基本光电特性。同时，研究者提出该分子具有用作制备结构定义良好的碳纳米管的潜在可能。

文献链接: Synthesis of a carbon nanobelt (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam8158)

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7、Science: 基于碳烯-金属-酰胺的高效发光二极管

剑桥大学的Dan Credgington、东安格利亚大学的Manfred Bochmann和东芬兰大学的Mikko Linnolahti（共同通讯）等人研究了基于碳烯-金属-酰胺的高效发光二极管。介绍了一种新型的线性供体-桥-受体发光分子，并可以基于液相法制作在高亮度下内量子效率接近100%的LEDs，其性能的关键在于对于三重态的快速、有效利用。结合时间分辨光谱法得知，发光过程是在到单重态反转系间窜越后，通过在环境温度中350ns内发生的三重态产生的。实验中发现分子几何形态中存在的单重-三重态能隙接近于零，这使得快速互换成为可能。计算结果表明交换能量可以由关于桥的供体和受体部分的相对转动所调控。不同于其他低交换能量系统，其本身的振子强度是由单重-三重态简并点所保持的。

文献链接：High-performance light-emitting diodes based on carbene-metal-amides（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aah4345）

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8、Science: 溶液中纳米粒子胶体氧化过程的3D定量形态演化表征

美国天普大学的孙玉刚教授，阿贡国家实验室的Zuo Xiaobing和Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan（共同通讯作者）等人利用X射线衍射和分子动力学计算模拟去跟踪Fe纳米粒子胶体在氧化过程中亚纳米级分辨率下的组成和3D形态演化，实现对纳米粒子化学转化的实时分析。原位观察于大尺度反应分子动力学模拟结合，揭示了固体金属纳米颗粒通过纳米尺度的Kirkendall效应到中空金属氧化物纳米壳的转变细节。

文献链接：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、安全的可充电Ni-3D Zn电池！

美国海军研究实验室Debra R. Rolison（通讯作者）等人将Zn制备成三维海绵，发现整块的Zn海绵正极可在Ni-Zn碱性电池中循环上千次，而不会发生钝化或形成大尺度的枝晶。并证实了3D形貌的Zn在三个使用领域可极大的提高Ni-Zn碱性电池的性能：

（1）原电池中>90%的理论放电深度（DODZn）；

（2）在与锂离子相称的比能量下，在40% DODZn达到>100次的高倍率循环；

（3）快速启动-停止运行周期需要大量能量供给的混合动力设备。

文献链接：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: 胶体溶液法制备La掺杂BaSnO₃电极

韩国化学技术研究所的Jun Hong Noh和 Sang Il Seok（共同通讯作者）报道了利用过氧化物胶体溶液在非常温和的条件下（300℃一下）制备出LBSO。La掺杂的BaSnO₃（LBSO）可很好的替代介孔TiO₂作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层。制备的LBSO用于钙钛矿太阳能电池，呈现出稳定的功率转化效率，达到21.2%，1000小时光照射后仍能保持最初性能的93%。

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

11、Science: Cd₂Re₂O₇中电子向列相的对称破坏

加州理工学院D. Hsieh（通讯作者）等人利用光学各向异性的二次谐波空间分辨谱在烧绿石Cd₂Re₂O₇中揭示了多极向列相。与早先发现的电子向列相相似，当保留平移不变，这个多极相自发的破坏了旋转对称性。通过检测多级向列相有序参数的临界行为，表面在Cd₂Re₂O₇中，200K附近驱动热相变，包括二次对称破坏晶格扭曲。

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

12、Science: TiO₂纳米晶间的范德华吸引力

西北太平洋国家实验室的Kevin M. Rosso和Chongmin Wang以及匹兹堡大学的Scott X. Mao（共同通讯作者）等人根据金红石TiO₂相互取向和表面水合作用，测试了分子间的范德华吸引力。十几个纳米的距离，相互间的吸引力很弱并没有表现出与方位或表面水合作用相关的影响。当距离接近一个水合层时，吸引力与方位有着很强的关系，并随着中间水密度的增加而降低。

文献链接：Direction-specific van der Waals attraction between rutile TiO2 nanocrystals（Science，2017，DOI：10.1126/science.aah6902）（点击“阅读原文”获取文献）

本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理

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