《自然》《科学》一周（11.28-12.04）材料科学前沿要闻

1.基于氧化铝模板的多种纳米微结构

（Multiple nanostructures based on anodized aluminium oxide templates）

固态物质中的集中物理化学效应和性质涉及相邻材料和形貌的相互作用。双金属纳米结构阵列能够整合不同子组分之间的相互作用，但是制备这种双金属纳米结构仍然存在很大挑战性。Wen等人提出一种方法能够合成多种双金属结构，并且这种方法对于子组分具有高度的可控性，包括材料、维度和形貌。这一双金属纳米结构概念源自一种双孔阳极氧化铝模板，即，在一种母体上具有两套孔结构，这两套孔结构朝着不同的方向开孔。利用这一生长机理，这种双孔模板能够扩展到多孔模板。他们也展示了利用这种双孔模板制造光电极、效应管和等离子器件等，均比单一组分器件表现出更好的性能。（Nature Nanotechnology DOI： 10.1038/NNANO.2016.257）

2.双氧化还原离子液体用于高比能超级电容器

（Biredox ionic liquids with solid-like redox density in the liquid state for high-energy supercapacitors）

由于固体比液体的离子反应性低得多，电化学反应的动力学在固体中比在液体中慢好几个数量级。然而，固态使得氧化还原物质的密度最大化，相比而言由于溶解度的限制，其在液体中至少低两个数量级。对于电化学能量存储器件，高能量密度的电池只具有有限的功率密度，而高功率的超级电容器又具有较低的能量密度。对于这种器件，理想的系统应该赋予液态接近固态的氧化还原物质密度。Olivier Fontaine 等人介绍了基于双氧化还原（biredox）离子液体，在类液体快速动力学情况下实现类固体材料氧化还原密度的方法。双氧化还原离子液体中的阳离子和阴离子承担了快速可逆氧化还原反应的部分。Olivier Fontaine 等人为了证明其用于高容量/高速率电荷存储的潜力，将它们用在在氧化还原超级电容器上进行了演示。这些离子液体能够通过在电极的孔中存储大量电荷来将电荷存储与离子通过的电极表面去耦合，以使由于将氧化还原物质保留在孔中而导致的自放电和泄漏电流最小化，并由它们较宽的电化学窗口来提高工作电压。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4808）

3.荧光纳米金刚石跟踪揭示神经元内传输异常

（Fluorescent nanodiamond tracking reveals intraneuronal transport abnormalities induced by brain-disease-related genetic risk factors）

脑疾病如自闭症和阿尔茨海默病（每个占超过世界人口的 1％）涉及显示基因表达微妙变化的大型网络。已经发现神经元内传输异常与患者中发现的遗传风险因素相关，这也表明与测量这个关键生物过程的相关性。然而，当前技术对于检测小的异常还不够灵敏。Simon Haziza 等人提出了一种使用荧光纳米金刚石（FND）来测量脑疾病相关遗传风险因素诱导的神经元内传输变化的灵敏方法。结果显示：高亮度、光稳定性和无细胞毒性使得 FND 可以在离解的神经元分支内以 12nm 的空间分辨率和50ms的时间分辨率来被跟踪。他们应用 FND 在两个转基因小鼠体内进行跟踪测定，模拟在患者的大脑中发现的蛋白质浓度（约30％）的轻微变化，以此对原理进行了证明。结果显示：在这两种情况下，FND 灵敏度足够用来测定这些变化。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2016.260）

4.对限制在单个碳纳米管内水的极端相变温度的观察

（Observation of extreme phase transition temperatures of water confined inside isolated carbon nanotubes）

经预测，单个、分离的碳纳米管内流体相变是基本上偏离经典热力学的。这种特性使得能够研究冰纳米管并探索它们的潜在应用。Michael S. Strano 等人展示了利用拉曼光谱测量的限制在六个孤立的不同直径（1.05, 1.06, 1.15, 1.24, 1.44 和 1.52 nm）碳纳米管中水的相边界。结果表明冷冻过渡对于直径有着极佳的敏感性，并且温度提升（高达100℃）比理论预测的更大。而且，在径向呼吸模式频率中以 2-5 cm-1 标记了动态充水和可逆冷冻转变，对于 1.05 和 1.06nm 单壁碳纳米管，可逆熔融分别在 105-151 ℃ 和 87-117 ℃ 之内；对于 1.44 和 1.52nm 纳米管，分别在 15-49℃ 和 3-30℃ 之间观察到近环境相变。另外，对于 1.15nm 纳米管在 -35 和 10°之间观察到凝固点的降低。他们还发现内部水相可逆地将纳米管的轴向热导率降低了高达500％，并允许对热通量的数字控制。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2016.254）

5.3D 拓扑绝缘子的量子化的法拉第和克尔旋转以及轴向电动力学

（Quantized Faraday and Kerr rotation and axion electrodynamics of a 3D topological insulator）

拓扑绝缘体被认为是良好的块体电磁材料，能够根据基本物理常数量化其响应函数。Liang Wu 等人将三维（3D）Bi2Se3 膜的化学势降低到狄拉克点以上约 30 meV 处，并利用高精度时域太赫兹偏振仪探测了当前磁场的低能量电动力学响应。对于高于5特斯拉的磁场，他们观察到量化的法拉第和克尔旋转，而直流传输仍然是半经典的。一个重要的Berry相位偏移为轴位电动力学和拓扑磁电效应给出了证据。在这些测量中所使用的时间结构，允许直接测量基于固态系统拓扑不变性的精细结构常数。（Science  DOI: 10.1126/science.aaf5541）

6.金属纳米晶体中滑移激活的表面蠕变

（Slip-activated surface creep with room-temperature super-elongation in metallic nanocrystals）

现在已经知道纳米级金属晶体遵循着“越小越强”的趋势。然而，它们通常因为晶体滑移引起的过早的塑性不稳定性而表现出低延展性。现在，通过原子尺度原位透射电子显微镜， Mao 等人介绍了面心立方银纳米晶体在室温情况下的无软化超伸长，其中晶体滑动是表面扩散蠕变的激活因子。在实验和理论均表明：这种相互作用机制在材料相关样品直径范围内控制纳米晶体的塑性形变，该范围分别由表面扩散蠕变和位错塑性的纳米晶体稳定性决定下限和上限，远远超过用于纯扩散介导形变的最大尺寸（例如：Coble型蠕变）。这项工作提供了对纳米材料中原子尺度耦合扩散位移变形机制的理解，同时使延展性和强度最大化的方法。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4813）

7.超平滑玻璃态石墨烯薄膜

（Ultra-smooth glassy graphene thin films for flexible transparent circuits）

大面积石墨烯薄膜在可形变透明器件中十分重要。Dai 等人提出了一种玻璃态石墨烯，其处于玻碳和石墨烯之间的中间状态，且具有高结晶度与卷曲的晶格平面。他们引入了一种聚合物辅助方法，来生长英寸尺度的超平滑（粗糙度，<0.7nm）玻璃态石墨烯薄膜。由于玻璃态石墨烯薄膜继承了石墨烯和玻碳的优点，所以玻璃态石墨烯薄膜表现出与石墨烯相当的导电性、透明性和柔性，以及类玻碳的机械和化学稳定性。另外，可以通过直接激光绘制的方法来制造基于玻璃态石墨烯的电路，并且将电路转到柔性基板上后还能够可靠运行。玻璃态石墨烯薄膜应该能够刺激柔性透明导电材料在集成电路中的应用。（Science Advances  DOI: 10.1126/sciadv.1601574）

8.超薄金属有机框架纳米片电催化析氧

（Ultrathin metal–organic framework nanosheets for electrocatalytic oxygen evolution）

设计、合成有效电催化剂对于电化学转化技术非常重要。析氧反应（OER）是这些转化中的关键过程，在水解、金属空气电池上具有重要应用。Zhao等人合成了超薄金属有机框架（MOFs）纳米片电催化剂，用来催化碱性环境中的析氧反应。他们在玻碳电极上合成了超薄NiCo双金属MOFs纳米片，这种纳米片在电流密度10 mA cm-2时表现出250 mV的过电势。当这种纳米片负载在泡沫铜上时过电势仅为189 mV。实验和理论计算表明：这种超薄纳米片具有有利于吸附的不饱和空位。这一发现表明不饱和配位金属原子是主要活性位点，而且Ni和Co金属之间的耦合效应对于提高电催化性能具有重要作用。(Nature Energy DOI: 10.1038/NENERGY.2016.184)

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