《自然》《科学》一周（05.23-05.29）材料科学前沿要闻

1.用于实时健康健身监测的可穿戴化学-电生理学生物传感系统

（A wear able chemical–electrophysiological hybridbiosensing system for real-time health and fitnessmonitoring）

柔性、可穿戴传感器件能够获取人类实时健康和健身方面的监测信息。尽管科学家们在与皮肤相兼容的柔性传感器方面已经取得了重要的进展，但是，绝大多数的设计仅能测量很少的身体或电生理参数，遗漏了很多丰富的化学信息。加州大学圣地亚哥分校的科学家设计制造了可穿戴于皮肤上的混杂传感系统，这一新型的传感系统能够同时、实时地为穿戴者提供生化和电生理信号。比起只能获得身体或者电生理信号的传感器，这一新型的传感器能够获得更综合、更丰富的信息。这一混杂传感系统分别由三电极的乳酸生物传感器和双极型心电图传感器共同集成于一个柔性基板上，进而可以佩戴在皮肤上。人体试验表明：生化和电生理信号可以同时测量、并且信号的交叉影响很小。这一研究成果为融合化学、电生理学和身体传感器、获得更综合的人类生理监测信息提供了范例，具有重要的启发意义。（Nature Communications DOI : 10.1038 / ncomms 11650 ）

2.卤氧化物：一类新的高居里温度多铁性材料

（Oxyhalides: A new class of high-TCmultiferroic materials）

磁有序和铁电有序的内在耦合使磁电多铁材料在电子器件中具有巨大的应用潜力，吸引起了很多科研工作者的研究兴趣。 TbMnO₃ 的发现激发了研究人员去发现更多的具有更高有序温度和强磁电耦合的多铁材料。迄今为止，自旋驱动的多铁性主要存在于氧化物中，以及少数卤化物中。最近，德国马普所的研究人员首次发现过渡金属卤氧化物中也存在多铁性。他们研究了黑氯铜矿（ CuOCl₂ ）的多铁特性，对其介电常数等参数进行了测量，发现在尼尔温度低于约 70 K 时 CuOCl₂ 具有铁电特性。黑氯铜矿（ CuOCl₂ ）成为具有高临界温度的一类新的多铁材料。粉末中子衍射测试揭示了低于尼尔温度时 CuOCl₂ 具有一种非公度磁结构，所有的磁反射均能用传播矢量 [0.827(7),0,0] 来标定，表明这种材料的确是一种自旋诱导的多铁材料。（Science Advance DOI : 10.1126 / sciadv. 1600353 ）

3.利用X射线结晶学精确定位氢原子

（Hydrogen atoms can be located accurately andprecisely byx-ray crystallography）

氢原子的精确结构信息对于研究晶体工程、材料科学、医学和药学中的相互作用能量至关重要。然而，氢原子对于 X 射线的散射非常微弱，以致于 X 射线一直未能用于定位氢原子。教科书中和课堂上仍然强调中子散射能够用来定位氢原子，而X射线不能。最近，波兰、德国和澳大利亚的研究团队利用X射线衍射结合 Hirshfeld 原子细化( HAR )的方法非常精确地确定了氢原子的位置，获得的氢原子相关键长（A-H）与中子衍射的结果相一致。他们通过研究 81 种有机分子的晶体结构和无机化合物中氢原子的位置对这一方法进行了验证。（Science Advance DOI : 10.1126 /sciadv. 1600192 ）

4.选择性溶解钙钛矿卤化物——朝着可循环太阳能电池更进一步

（Selective dissolution of halide perovskitesas a step towards recycling solar cells）

大多数钙钛矿太阳能电池的研究主要集中于能量转化效率和稳定性。然而，如果能够重复利用太阳能电池，或许稳定性不再会是一个问题。从经济角度来看，如果太阳能电池失效，只需将它们回收并重新使用上面的金电极和透明导电玻璃，这样能够减少每瓦特电池模块的价格。韩国和美国的科学家利用选择溶解的方法能够去除钙钛矿层并重新使用介孔 TiO2 涂覆的透明导电玻璃基片。他们发现因为 Pb2+ 阳离子和非质子化溶剂的相互反应，钙钛矿层能够在极化非质子溶剂中很容易地分解。 10 次循环使用后，介孔 TiO2 涂覆的透明导电玻璃基片上的太阳能电池仍然表现出一个恒定的功率转化效率，充分表明了重复使用钙钛矿太阳能电池的可能性（Nature Communications DOI :  10.1038 / ncomms 11735 ）

5.可见光驱动的有机催化原子转移自由基聚合

（Organocatalyzed atom transferradical polymerization drivenbyvisible light）

原子转移自由基聚合（ ATRP ）能够准确控制聚合物成分和相关性质，已经成为聚合物合成方法中的重要方法之一。然而，金属催化剂的残余对聚合物的污染仍然是一个重要的挑战。有机 ATRP 光氧化还原催化剂已经被用来解决这一难题，但是还未达到金属催化剂的精确效果。美国科罗拉多大学的科学家经过理论计算发现：二苯基二氢吩嗪（一种有机类光催化剂）可作为一类强还原性的光催化剂用于 ATRP 。这类催化剂被可见光激发后能引发聚合，具有高引发效率、可调节等优势。这类物质的强还原能力也很可能在其他化学反应中发挥巨大作用。（Science DOI : 10.1126 / science.aaf 3935 ）

6.石墨烯在电池、超容等中的应用

（Graphene for batteries,supercapacitors and beyond）

石墨烯已经为便携式电子器件和电动汽车提供了更好的储能方式，使它们的性能有了大幅提高。最近，加利福尼亚大学洛杉矶分校的 Kaner 等讨论了目前石墨烯在储能方面的发展状况及未来研究方向，特别强调了制备石墨烯电极时的处理工艺。作者计算了石墨烯超级电容器的最大能力密度，列出了未来提高容量的方式方法。他们也讨论了石墨烯合成和组装成的不同微结构，如：零维的量子点、一维纳米线、二维纳米片、三维框架结构和四维自折叠材料等。这些形式为设计电池和超级电容器提供了更多前所未有的的新特征。（Nature Reviews Materials DOI : 10.1038 / natrevmats. 2016.33 ）

7.更好超级电容器的有效存储机理

（Efficient storage mechanisms for buildingbetter supercapacitors)

超级电容器作为电化学能量存储器件主要通过吸附电解液中的离子到高比表面积的电极表面来实现储能。过去的十几年，科学家通过将活性材料减小到纳米尺度和使电解液获得活性等手段来大幅提高超级电容器的性能。在具有亚微米孔的多孔碳材料里面，离子的去溶剂化带来了电容量的巨大提升。氧化物材料通过表面的氧化还原反应，即赝电容效应储存能量。理解电量存储的物理机理对于进一步发展更高性能的超级电容器至关重要。P. Simon 等人从原位实验和先进的模拟技术两方面综述了碳基和氧化物基超级电容器的电荷存储机理，展望了目前存在的挑战。（Nature Energy DOI : 10.1038 / NENERGY. 2016.70 ）。

8如何利用纳米技术构建更好的电池

（The battery builder）

崔屹——这位斯坦福大学的材料科学家开拓性地利用纳米技术来实现电池设计的革新。1998 年于中国科技大学本科毕业后，崔屹赴哈佛大学师从纳米鼻祖 Charles M. Liber 攻读博士学位，之后在伯克利进行博士后研究。初期，崔屹主要从事纳米材料的合成工作；加入斯坦福之后，开始致力于将纳米技术和电池结合起来，开发了一系列新型的电池纳米技术，包括硅纳米线、蛋黄结构的纳米颗粒以及石榴型硅电极材料。崔屹在锂-硫、液流电池方面也进行了深入的研究。除了科研，崔屹于 2008 年还创办了自己的电池公司 Amprius ，致力于将纳米技术产业化，在“改变世界，同时变得富裕，但是以改变世界为主”。（Science DOI : 10.1126 / science. 352.6289.1046 ）

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新材料在线编译团队整理——编译者：山丘

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