《自然》《科学》一周（10.24-10.30）材料科学前沿要闻

1.多材料三维打印心脏微生理设备

（Instrumentedcardiac microphysiological devices via multimaterial three-dimensional printing）

生物医学研究已经依赖于动物研究和常规细胞培养几十年了。最近，微生理系统（MPS），也被称为芯片器官，在体外重现了天然组织的结构和功能，成为一种有前景的替代品。但是，当前的MPS通常缺少集成传感器，且制造过程需要多步光刻工艺。Johan U. Lind 等人介绍了一种简单的方法，即通过多材料三维（3D）打印制造一类新的仪器化心脏微生理设备。设计了基于压阻、高电导和生物相容性软材料的六种功能性墨水，能够将软应变测量传感器集成到微结构中，从而引导拟理疗层状心脏组织的自组装。这些嵌入式传感器能够提供细胞培养箱环境中组织收缩应力的非侵入性电子读数。他们进一步应用这些设备来研究药物反应，以及人类干细胞衍生的层状心脏组织的收缩发展超过四个星期。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4782）

2.金刚石中实现长期数据存储

（Long-term data storage in diamond）

金刚石中带负电的氮空位（NV-）中心是从量子信息处理到纳米尺度测量应用所广泛关注的焦点。迄今为止，虽然大多数工作都集中于NV- 的光学和自旋性质，但对电荷状态的控制将有望带来新的机会。Siddharth Dhomkar等人提出的引入富含 NV- 的 1b 型金刚石的主张，很有可能实现信息的长期存储。他们利用多色光学显微镜对二维二进制位密度（相当于目前数字视频光盘技术）的任意数据集，进行了读取、写入和重置操作，从而对所述原理进行了证实。利用NV- 离子化的单一动力学，他们将信息无串扰地编码在金刚石晶体的不同平面上，从而将存储容量扩展到了三维。此外，Siddharth Dhomkar等人将中心电荷状态和主体氮的核自旋极化相关联，显示出后者对于 NV 电离和再充电的循环是稳健的。这种结合了超分辨率显微技术的观测为次级衍射NV电荷控制提供了一种方法，从而使容量可以超过现有的技术。（Science Advances  DOI: 10.1126/sciadv.1600911） 

3.自供电的纺织品

（Self-powered textile for wearable electronics by hybridizingfiber-shaped nanogenerators, solar cells,and supercapacitors）

在轻质柔性基材上的可穿戴电子器件具有应用于便携式设备的巨大潜力，但是它们的应用却受到电池寿命的限制。最近，王忠林课题组提出了一种混合自充电供电的纺织系统，目的是同时收集室外阳光和随机身体运动的能量，然后将它们存储在能量存储单元中。通过使用纤维状染料敏化太阳能电池（用于收集太阳能）和纤维状摩擦起电纳米发电机（用于收集随机身体运动能），可以轻松地获取能量并将其转换为电能，然后进一步作为化学能存储在纤维状超级电容器中。因为整个系统是全纤维状结构的，所以他们提出的混合自充电纺织系统可以很容易地编织成电子纺织品，以制造智能服装，从而实现持续地操作移动或可穿戴电子产品。（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600097）

4.WSe2/hBN 异质结构中的层间电子-声子耦合

（Interlayer electron–phonon coupling in WSe2/hBNheterostructures）

可调控的层与层相互作用为在范德华异质结构中实现新颖和期望的量子现象提供了有力途径。例如，层间的电子与电子相互作用便促成了难以在单一材料中实现的迷人物理现象，如石墨烯/氮化硼（hBN）异质结构中的 Hofstadter蝴蝶。除了电子与电子间相互作用，层间电子与声子间的相互作用能够进一步控制范德华异质结构的物理性质。ChenhaoJin 等人介绍了一种 WSe2/hBN 异质结构中层间电子与声子的相互作用，其中光学沉默的hBN 声子以高强度出现在拉曼光谱中，并通过谐振与 WSe2的电子跃迁耦合。激发光谱揭示了这种增强现象的双共振本质，并确定了两个共振状态分别为单层 WSe2的 A 激子跃迁和仅存在于 WSe2/hBN异质结构中的新的混合态。对层间电子与声子相互作用的研究能够为设计用于器件应用的电子和声子开辟新的方法。（NaturePhysics  DOI: 10.1038/NPHYS3928） 

5. 源自光学驱动声子的有效磁场

（Aneffective magnetic field from optically driven phonons）

太赫兹和中红外频率的光场能够引起凝聚物质中集合模式的直接激发。例如，晶格的激发就已经显现出可以激发绝缘体-金属跃迁、金属磁顺序或超导增强。Nova等人在归纳概括了这些想法并探索了可控相对相位驱动的多个晶格模式的同时激发。这种非线性模式混合驱动晶体场原子的旋转和位移，模拟了磁场的施加，并导致了稀土铁氧化物 ErFeO3 中自旋进动的激发。另外，晶格旋转的相干控制也许可以适用于其它有趣的的材料研究问题，例如作为一种可以影响电子相位拓扑的方式。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS3925）

6.室温下利用多核Pd(II) 配合物水解双 CS2 碳-硫键

（Hydrolyticcleavage of both CS2 carbon–sulfur bonds by multinuclear Pd(II) complexes at roomtemperature）

开发能够将 CS2 和 COS 污染物转化为环境友好产物的均相催化剂，对催化基础研究和应用环境科学都十分重要。Xuan-Feng Jiang 等人展示了一系列在空气中稳定的二聚 Pd 配合物，可以调节双CS2 碳-硫键在 25℃ 下更容易水解产生二氧化碳和三聚 Pd 配合物。用HNO3 氧化的三聚配合物再生出二聚起始配合物，并释放出SO2和NO2。经同位素标记证实：CO2的碳原子和氧原子分别源自CS2 和H2O，并且利用气相和电喷雾离子化质谱法以及傅立叶变换红外光谱法观察到了反应中间体。Xuan-Feng Jiang 等人还基于实验观察到的中间体提出了一个合理的机理。这一机制涉及配位碳原子上的亲核性 Pd-OH部分产生了分子内侵蚀，μ-OCS2 在去质子化时切割了一个碳-硫键并同时形成了一个碳-氧键。偶联的碳-硫键裂解和释放CO2从而产生[(bpy)3Pd3(μ3-S) 2](NO3)2(bpy，即2,2'-联吡啶)为反应提供了热力学驱动力。（Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.2637）

7.量子系统中能量耗散的纳米级热成像

（Nanoscale thermal imaging of dissipation in quantum systems）

能量耗散是主导物理、化学和生物系统动力学的基础过程，也是区分量子与经典现象的主要特征之一。特别是在凝聚态物理中，散射机制、量子信息的损失或拓扑保护的破坏都深深植根于耗散发生的方式和位置的复杂细节中。然而，因为能量耗散在微米量级上并不容易测量，所以系统的微观行为通常不是根据耗散来确定的。尽管近来纳米级温度测定已经获得了极大的关注，但现有的热成像方法对于量子系统的研究来说仍不够灵敏，并且也不适合于所需的低温操作。D. Halbertal等人在此介绍了一种直径小于50纳米、居于尖锐移液管顶点上的基于超导量子干涉设备的纳米温度计：它可以提供低温扫描热探测，具有低于1μHz-1/2 、超过以前器件四个数量级的灵敏度。这种非接触、非侵入式温度测量可以对低至Landauer 极限的40毫瓦的纳米级能量耗散进行热探测，可用于连续读取4.2 开尔文情况下处于 1GHz 的单个量子位。这一研究进展使得能够观察碳纳米管中单个量子点的单电子充电而导致的耗散变化，同时还揭示了包封在六方氮化硼内的石墨烯中共振局域化状态所导致的耗散机制，为量子物质中的纳米尺度耗散过程进行直接热成像打开了大门。（Nature  DOI: 10.1038/nature19843） 

8.DNA分子杂交驱动的薄膜形变

（Shape changing thin films powered by DNA hybridization）

能够对物理和化学刺激做出响应的活性材料可以用于构建生物系统与人工设备交界处的微型动力机器。原则上，对DNA的特定杂交可用于构成独立的化学驱动致动器的库，并且可以产生基于聚合物或金属层方法所不能达到的器件性能。Shim 等人介绍了对不同化学信号可以做出不同响应的 DNA 链交换反应所驱动的形变薄膜。这种薄膜是利用逐层沉积工艺使DNA嫁接金纳米颗粒形成。由活性层和惰性层组成的薄膜对加入到溶液中的刺激物—DNA链，显示出快速、可逆的卷曲响应。最后，由两个独立可寻址的有源层组成的薄膜显示出一组复杂的可重复变换组合，涉及八个机械化学状态和自修正行为。（Nature Nanotechnology   DOI: 10.1038/NNANO.2016.192）   

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