《自然》《科学》一周（08.08-08.14）材料科学前沿要闻

1. 连续供氧辅助下的单晶石墨烯超快生长

（Ultrafast growth of single-crystal graphene assisted by a continuousoxygen supply）

石墨烯具有一系列独特的物理性质，可以用于各种电子、光子和光伏发电器件。大多数的应用需要大面积高质量的石墨烯薄膜。在铜表面利用化学气相沉积法（CVD）合成石墨烯的方法因其方法简单且可以有效控制成本引起了人们特别的关注。然而，在铜表面通过CVD方法生长石墨烯的速率小于0.4μm s-1，因此合成大面积、单晶石墨烯至少需要几个小时。Xu等人展示了在铜箔上以60μm s-1的速度生长石墨烯。他们实现高生长速率的方法是通过将铜箔以约15μm的间隙放置于氧化基板上，CVD生长期间氧化基底提供了持续的氧气到铜催化剂的表面，由此显著降低了碳原料分解的能量势垒，从而增加了生长速率。通过这种方法，他们使单晶石墨烯域在5s内横向生长0.3mm。（NatureNanotechnology   DOI: 10.1038/NNANO.2016.132）  

2. 还原氧化石墨烯薄膜中反应纳米粒子的超快自组装和稳定化

（Ultra-fast self-assembly and stabilization of reactive nanoparticles inreduced graphene oxide films）

导电基体承载的纳米粒子在电化学储能、催化和高能器件中无处不在。然而，对于它们要达到最终效用，特别是对于高活性材料，表面氧化和集聚仍然是其要面对的两大挑战。Chen等人提出了一种在10ms内将直径约10nm的纳米颗粒均匀分布在还原氧化石墨烯基质中的自组装方法。还原氧化石墨烯中的微尺寸颗粒被加热到高温并急速冷却来保留所得到的纳米结构。这种形成机制有可能是微尺寸颗粒在高温下被融化，然后被还原氧化石墨烯中的缺陷所分离并在冷却时自组装成纳米颗粒。这种超高速的制造方法可广泛应用于很多材料，包括铝、硅和锡等。其中，这种技术一种独特的应用是在还原氧化石墨烯膜中稳定铝纳米颗粒，作为可切换的高能材料具有优良的性能。（Nature Communications   DOI: 10.1038/ncomms12332） 

3. 高可伸缩性透明离子触控板

（Highlystretchable, transparent ionic touch panel）

鉴于人机交互变得越来越重要，触控板可能需要具有伸缩性和生物相容性，从而能够与人体更好的集成。然而，大多数的触控板都是基于硬而脆的电极开发出来的。Kim等人展示了一种基于含有氯化锂盐的聚丙烯酰胺水凝胶的离子触控板。面板是柔软和可拉伸的，因此它可以承受大的形变。因为水凝胶是透明的，对于可见光有98％的透射率，所以该面板可以自由传输光信息。另外，他们采用了一种表面电容触摸系统来感测触摸位置。该触控板可以工作在1000%的表面张力下，且性能没有减损。他们还展示了将该触控板集成在皮肤上进行写字、弹钢琴和玩游戏等。（Science DOI: 10.1126/science.aaf8810）

4.骨头的纳米复合性质驱动其强度和抗损伤能力

（The nanocomposite nature of bone drives its strength and damageresistance）

在人体骨骼中，非晶型矿物是形成高度替代性的纳米晶体磷灰石的前驱体。然而，这种非晶型矿物的确切作用现仍未知。Tertuliano等人利用透射电子显微镜发现表现在松质骨的无序相中存在100-300nm的非晶钙磷酸盐区域。对直径250nm到3000nm的圆柱形有序相骨和无序相骨样品的纳米力学试验，揭示了从可塑性形变到脆性损坏的转变，且较小的样品中至少有高出两个量级的强度。他们推测这种损坏机制中的转变是由抑制较小样品中的外部纤维剪切造成的，且这新出现的越小强度越大的尺寸效应与缺陷分布的样品尺寸比例有关。他们的这一研究结果有助于对骨骼多尺度本质的理解，并提供了对生物矿化过程的深入理解。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4719） 

5.非晶固体中弹性的破坏

（Breakdown of elasticity in amorphous solids）

对外部应力的响应是表征固体特性的方式之一。有序固体，例如晶体，在表现出的弹性区域的同时紧接的是塑性区域。这两者都能根据晶格畸变和位错的方式从微观角度进行理解。对于非晶形固体的情况的理解反而不是很清楚，对其形变和应力的微观理解是现在十分热门的研究课题。有些研究显示，即使在弹性区域低温时的响应也很不平稳，与无序磁性材料十分类似。Giulio等人的研究表明，在非常多种非晶形固体中一旦降低温度都会有这样的表现，作为一种相变，它标志着弹性性能被破坏。在这个转化中所有非线性弹性模量都出现偏差，标准的弹性理论不再成立。低于这一转变温度，对形变的响应变得具有历史和时间依赖性。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS3845）

6.高通量虚拟筛选和实验方法设计高效分子有机发光二极管

（Designof efficient molecular organic light-emitting diodes by a high-throughputvirtual screening and experimental approach）

因为有效计算时间的指数增长和仿真与计算机学习技术的不断完善，虚拟筛选正成为用于分子发现的突破性工具。Rafael等人提出了一种综合有机功能材料的设计方法，这一方法融合了理论理解、量子化学、化学信息学、机器学习、先进工业技术、有机合成、分子表征、器件制造和光电检测。在探索了160万的分子搜索空间，并利用时间依赖的密度泛函理论对其中400000进行筛选后，他们利用可见光谱确定了数千种有前景的新型有机发光二极管分子。他们团队协作从这个集合中选出了最佳组分。实验测定这些合成分子的外部量子效率高达22%。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4717）

7.金属-有机骨架结构的矿物

（Minerals with metal-organic framework structures）

金属-有机骨架（MOFs）是一类越来越重要的基于开放的纳米级金属-有机结构的先进材料，其设计和合成是基于精心设计的亚单元的定向组装。Huskić等人发现：稀有的有机矿物绿草酸钠石和草酸铝钠石表所具有的结构，也就是磁性和质子导电的金属草酸盐MOFs的结构，从而证明了矿物学和MOF化学之间意想不到的联系。绿草酸钠石和草酸铝钠石的结构，表现出接近纳米宽度和客体填充的孔隙和通道，分别改变了MOFs完全是人造材料的观点。绿草酸钠石和草酸铝钠石的结构成为迄今为止有机矿物质中唯一开放框架结构的代表。 （Science Advances  DOI: 10.1126/sciadv.1600621）

8.人工混合导体中的协同、超高速大容量存储和迁移

（Synergistic, ultrafast mass storage and removal in artificial mixedconductors）

单相混合导体（电子和离子）使材料（如在电池电极）中的化学计量发生变化，由此产生大容量的存储和再分配。Chen等人考虑了这种特性怎样才可能在固体两相体系中协同实现，从而形成人工混合导体。此前的研究显示复合材料受到缓慢动力学的影响并不能明确地确定化学计量的变化。Chen等人利用电化学和化学方法将“超离子”导体RbAg4I5和电子导体石墨复合，该复合材料表现出显著的银过量和银缺乏区域，类似于单相混合导体中所表现的那样，尽管这种行为不可能同时存在于各个单相中。另外，银的动力学吸收和释放是非常快的。通过界面双极性扩散估计的上限值表明化学扩散系数甚至比液态水中氯化钠所表现出的值还要高。这些结果可能会激发系统性的研究，从而获得更强大的甚至是介观的人工混合导体。（Nature  DOI: 10.1038/nature19078）  

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