《自然》《科学》一周（10.31-11.06）材料科学前沿要闻
1.全印刷的磁性自修复电化学装置
（All-printed magnetically self-healingelectrochemical devices）
Bandodkar 等人将永磁性 Nd2Fe14B 微粒（NMP）与石墨油墨相结合，展示了低成本快速自修复印刷电化学装置。将 NMP 结合到油墨中的措施赋予了印刷线路惊人的自修复能力，在无需使用者干预和外部触发的情况下，可以快速（约50ms）修复相同或不同位置上大至3mm的损伤。NMP具有对周围环境不敏感的永磁特性，使它可以不依赖环境条件实现长期修复极端损伤。这种显著的自修复能力用于现有的人造自修复系统尚未被报导过。新的自我修复概念在现实生活中具有很强的适用性，可以广泛应用于在自修复全印刷电池、电化学传感器和基于纺织品的可穿戴电路中。（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1601465）
2.钙钛矿-卤化物中的缺陷及其在太阳能电池中的作用
（Defects in perovskite-halides and theireffects in solar cells）
基于卤化物-钙钛矿光吸收体的太阳能电池具有一些独特的特性，可以帮助减轻全球对化石燃料的依赖。这些电池利用低温溶液处理得到的丰富原料将阳光高效地转化为电能。因此，它们与其他光伏技术相比具有降低成本的潜力。尽管如此，想要充分开发卤化物-钙钛矿的潜力，仍有几个必须要突破的挑战。鉴于离子固体材料相对较软的性质，挑战之一便是理解和控制它们的缺陷结构。目前，对缺陷结构的理解较为有限，而这限制了这些太阳能电池的能量转换效率，使其无法达到其热力学极限。Petrozza等综述了卤化物-钙钛矿中缺陷的起源和性质及其对载流子复合、电荷迁移、能带对准和电不稳定性的影响，并且提供了关于如何进一步获取进展的观点。（Nature energy DOI: 10.1038/NENERGY.2016.149）
3.微凝胶封装单细胞用于药物递送
（Deterministic encapsulation of single cells inthin tunable microgels for niche modelling and therapeutic delivery）
利用现有技术将细胞封装在微尺度水凝胶中，通常会产生很高的聚合物/细胞比率，并且对水凝胶的力学性能缺乏控制。Mao等人介绍了基于微流体控制方法将单个细胞封装在约 6 微米的海藻酸盐层中，该方法使得包含细胞的微凝胶所占比例系数提高了10倍，封装效率超过90%。他们还展示了能够使体外细胞活力维持三天的机械可控的微凝胶，而且凝胶刚度和细胞密度对于封装的骨髓基质细胞组装体、细胞的成骨分化具有重要影响。可调节水凝胶封装单个细胞将可以用于各种组织工程和再生医学。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4781）
4.石墨烯电子-空穴双层中的螺旋边缘态和局部量子霍尔效应
（Helical edge states and fractional quantumHall effect in a graphene electron–hole bilayer）
螺旋一维电子体系是实现拓扑量子态电路的一种很有希望的途径。Sanchez-Yamagishi 等人通过结合中等磁场下石墨烯电子-空穴双层中手性相反的量子霍尔边缘态，展示了一个通用型的平台。利用这种方法能够调控螺旋一维边缘导体，其中由可调电场分开的电子层和空穴层具有相反向的传输模式。这些螺旋导体表现出强非局域传输信号，并且反向传播模式相反的自旋极化抑制了反向散射。与其他用于实现螺旋状态的方法不同，石墨烯电子-空穴双层可用于构建包含局部边缘态的新型一维系统。事实上， Sanchez-Yamagishi 等人能够将双层器件调整导手性相反的局部和整体边缘态区间，为实现具有分数量子统计的一维螺旋导体铺平了道路。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2016.214）
5.野生类植物中的检测和红外通信
（Nitroaromatic detection and infraredcommunication from wild-type plants using plant nanobionics ）
植物纳米生物学旨在利用特殊设计的纳米颗粒嵌入植物从而实现植物的非原生功能。Wong等人通过调控使活菠菜植物（菠菜甘蓝）可以作为环境地下水中的自供能预集中器和自动取样器，并且通过红外通信平台可以发送信息到智能手机。植物采用一对近红外荧光纳米传感器，即单壁碳纳米管（SWCNT）缀合到肽类 Bombolitin II，来识别硝基芳烃。另外，聚乙烯醇官能化的SWCNTs 作为一个固定的参考信号嵌入植物叶肉中。作为污染物的硝基芳香化合物从根和茎转移到叶组织、积累在叶肉中，导致发射强度的相对变化。嵌入式 SWCNT 传感器的实时监测还可以估计硝基芳香化合物在根、茎和叶中的停留时间，分别为 8.3 min（根和茎的组合停留时间）和 1.9 min/mm （叶子中）。这些结果表明：活的野生类植物具有作为地下水化学监测器和通信设备的能力。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4771）
6.磁拓扑-绝缘体/反铁磁异质结构中的可调节交换耦合
（Tailoring exchange couplings in magnetictopological --insulator/antiferromagnet heterostructures）
磁性拓扑绝缘体，如 Cr 掺杂的（Bi,Sb）2Te3，为实现时间反转对称破坏物理学提供了平台。通过构造异质结构，其中反铁磁性 CrSb表现出Néel有序、Cr 掺杂（Bi,Sb）2 Te3 表现出铁磁有序，He等人实现了通过人工调控调节界面磁性现象，并通过对异质结构和超晶的几何设计，展示了反铁磁交换耦合在操纵磁性拓扑绝缘体磁性能时的作用。结果显示邻近效应会诱导界面自旋结构调制，并建立由反铁磁性调制的有效长程交换耦合，显著提升了超晶格中的磁有序温度。这项工作为集成拓扑绝缘体与铁磁材料提供了一个新的框架，并为实现无损拓扑反铁磁自旋电子学提供了新的途径。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4783）
7.单层WSe2中的谷极化和自旋极化朗道能级
（Valley- and spin-polarized Landau levels inmonolayer WSe2）
单层过渡金属二硫族化物中的电子以谷和自旋量子自由度为特征。这使得人们有可能探索得到新的物理现象并预见在电子和光电子领域的新应用。理论预测进一步表明，结合Berry曲率效应以及强自旋轨道相互作用，可以在垂直磁场下产生非常规的朗道能级（LL）。特别是，这将支持量子霍尔区中谷和自旋极化的手性边缘态。然而，这种独特的 LL 结构在过渡金属二硫属化物中并没有实际观察到过。最近，Wang 等人在高质量 WSe2 单层中观察到完全谷极化和自旋极化的 LLs，并且对光学反射光谱进行了手性解析来探测单个谷的 LL 间过渡，并反演导出了 LL 结构。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2016.213）
8.基于光电效应的微电子设备
（Photoemission-based microelectronic devices）
绝大多数现代微电子设备依赖于半导体中的载流子。因此，这些设备的性能往往局限于天然半导体的性质，如：带隙和电子速度。利用气体或真空通道代替半导体通道或许能够提高速度、波长和功率。然而，在实际微电子器件中释放电子于气体或真空中十分具有挑战性。这通常需要加热、施加高压或利用短波长/高功率的激光。Forati等人利用可调控的谐振表面和低功率红外激光的相互作用实现了光电效应，电子隧穿使微电子设备如效应管、开关和调谐器的正常工作成为可能。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms13399）
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