《自然》《科学》一周（10.17-10.23）材料科学前沿要闻

Original 2016-10-24 新材料在线 新材料在线

1.单晶金属微立方中梯度纳米结构的动态创建和演化

（Dynamic creation and evolution of gradient nanostructure in single-crystal metallic microcubes）

Thevamaran等人报导了初始几乎无缺陷的单晶微立方银中极端梯度纳米晶结构的动态建立与后续静态演化。极端纳米结构转变是由微立方高速冲击不可穿透基底过程中的高应变速率、应变梯度和重结晶引起的。微立方银的合成是通过自下而上种子生长方式形成的，并利用先进的集光诱导发射抛射体冲击测试装置来选择性得使它们达到超音速（约400米每秒）。他们的研究对基本变形机制和由高速冲击产生的晶体和样品形状对称的影响提供了新的认识。实验中产生的纳米结构转变为发展用于高强度和高韧性的梯度纳米金属提供了新的途径。（Science DOI: 10.1126/science.aag1768）

2.铋表面的一种向列型量子霍尔液体

（Observation of a nematic quantum Hall liquid on the surface of bismuth）

在相互作用电子系统中能够形成具有破坏基础晶体对称性波函数的向列型量子流体。Feldman等人研究了 Bi（111）面各向异性孔洞高磁场中产生的量子霍尔态。扫描隧道显微镜得到的光谱显示：单粒子效应和多体库仑相互作用相结合能够将六重朗道能级（LL）简并成三个谷极化的量子霍尔态。他们对所得到的各向异性 LL 波函数进行成像，发现这些波函数对应各个不同的对称破损态有着不同的取向。波函数对应于预期的孔谷对，并提供了向列电子相的直接空间特征。（Science DOI: 10.1126/science.aag1715）

3.“上坡”阳离子传输：仿生光驱动离子泵

（“Uphill” cation transport: A bioinspired photo-driven ion pump）

具有活性离子传输特性的生物离子泵为诸多生命活动过程奠定了基础。但是，因为在这个“上坡”过程中需要额外的能量才能实现，所以关于类似生物离子泵的报导很少。Zhang等人展示了一种基于单个聚对苯二甲酸乙二酯锥形纳米通道的人工仿生光驱动离子泵。其泵浦过程是通过从圆锥的大口施加紫外辐射实现零伏电流反转来实现的。光能会加速纳米沟道内表面上苯甲酸衍生物二聚体的解离，由此产生更多的可移动羧基。穿过纳米通道的离子和内壁上的带电基团之间的强静电相互作用是上坡阳离子迁移行为的主要原因。这一系统为进一步开发和设计各种外部激励驱动和特定离子选择性生物离子泵创造了理想的实验和理论平台，在生物传感、能量转换和脱盐中具有广泛的潜在应用。（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600689）

4.用于可控药物运载的水凝胶的设计

（Designing hydrogels for controlled drug delivery）

水凝胶运载系统可以用于药物递送实现有利治疗效果，并在临床上已有使用。水凝胶可以对各种治疗药剂（包括小分子药物、大分子药物和细胞）的释放提供空间和时间上的控制。由于水凝胶可调节的物理性质、可控的降解性和保护不稳定药物免于降解的能力，水凝胶可作为控制药物释放的平台。最近，Li等人综述了水凝胶药物递运载统设计的多尺度机制，并着重对水凝胶网络的物理和化学性质以及水凝胶药物相互作用进行了探讨。Li等人讨论了不同机制是如何相互作用并整合起来对药物释放在时间和空间上进行良好的控制。他们还从众多文献中收集了实验数据，并提出不同系统之间的定量比较，为提供水凝胶运载系统合理设计提供了思路。（Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2016.71）

5.通过量子散射共振直接探测原子-分子碰撞中的各向异性

（Directly probing anisotropy in atom–molecule collisions through quantum scattering resonances）

各向异性是微粒相互作用的基础特性，在冷分子和超冷分子处理中具有重要作用。在超冷极性分子碰撞中，科学家们已经对具有取向依赖性的长程力进行了研究。在冷碰撞状态下，分子间自由度的量子化导致了量子散射共振。虽然已经证明这些态是对相互作用势的细节很敏感，但目前为止仍没有各向异性对量子共振影响的实验观察。Ayelet 等人借助改变内部分子转子的量子态所产生的量子共振，直接测量了原子-分子相互作用中的各向异性。他们在分子被旋转激发时产生的分子氢与亚稳态氦的潘宁电离中，于碰撞能为 kb×270 mK 处，观察到了量子散射共振。Ayelet 等人利用最先进的从头算理论展示了对旋转态有效切换各向异性开关的控制，并解开了相互作用中各向同性和各向异性的部分。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS3904）

6.压力引导氮化硼上的石墨烯形成等大小堆积

（Pressure-induced commensurate stacking of graphene on boron nitride）

将原子厚度范德华材料组合成异质结构为创造人工设计电子器件提供了有力途径。通过控制它们夹层的分离情况可以很容易地控制相邻层之间的相互作用强度，而这可以显著影响这些复合材料的电子性能。Yankowitz等人在扫描隧道显微镜针尖施加压力，通过局部调整石墨烯和氮化硼间夹层的分离程度，实现了对夹层相互作用前所未有的控制程度。对于氮化硼上对齐或准对齐的石墨烯的特殊情况，石墨烯晶格可以局部拉伸和压缩以补偿两种材料之间轻微的晶格失配。他们还发现调整夹层分离情况可以直接调整晶格的应变并引起等大小堆积。该研究利用流体静压力控制夹层分离，可能会激发未来对调整范德瓦尔斯异质结构电子性能的研究。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms13168）

7.可市场化的稳定的钙钛矿太阳能电池

（Towards stable and commercially available perovskite solar cells）

现在有机阳离子卤化物钙钛矿太阳能电池显示出高达22％的功率转换效率。然而，这些电池的商品化面临着许多问题，例如：实现长期稳定和可重复的制造高性能器件的制造方法。Park等人提出了一种能得到工业上可行的稳定的钙钛矿太阳能电池的方法。这种方法具有很好的重复性，而且能够很好的调控晶界和界面的电荷传输。他们突出强调了如何优化器件架构的设计，因为这不仅对实现高效率十分重要，对于实现零滞后和稳定性能也很重要。他们认为可靠的器件特性对于确保这项技术向着实际应用进步来说十分重要。他们指出基于钙钛矿的器件可以与硅太阳能模块相竞争，且也有助于探讨有毒材料以及安全管理相关的问题。（Nature Energy DOI: 10.1038/NENERGY.2016.152）

8.二次解离乙炔时键断裂的超快电子衍射成像

（Ultrafast electron diffraction imaging of bond breaking in di-ionized acetylene）

要直接观察到化学反应过程，需要原子空间分辨率和飞秒时间分辨率。Wolter 等人展示了乙炔（C2H2）电离后9飞秒时的分子结构成像。利用中红外激光诱导电子衍射（LIED），获得了一个质子离开[C2H2]2+的快照。还通过引入附加的激光场，证明了对超快解离过程的控制，并解决了分子取向平行于和垂直于LIED场的不同的成键动力学。这些测量结果与场涂覆分子动力学的量子化学描述非常一致。（Science DOI: 10.1126/science.aah3429）