《自然》《科学》一周（12.26-1.1）材料科学前沿要闻

1. 混杂金属有机硫族化物纳米线

（Hybrid metal–organic chalcogenide nanowireswith electrically conductive inorganic core through diamondoid-directedassembly）

通过结构导向剂控制无机结构和维度是新材料合成中一种通用的方法。这一方法已广泛应用于金属有机框架化合物和配位聚合物。然而，固态无机核的缺乏需要通过单原子链和/或者有机基团来实现电子传输，限制了这些材料的电子性质。Yan等人报道了一种强相互作用的钻石结构导向剂诱导的混杂金属有机硫族化物纳米线。这种纳米先具有三原子界面固态无机核，是一种最小的纳米线。在钻石形导向剂之间的强范德华引力克服了位阻排斥力，在活泼的生长锋面导致了一种顺式配置，从而不断为纳米线生长提供所需的前驱体。这些纳米线具有带状电子结构、低有效载流子质量和三个数量级的导电率调控。与传统的表明活性剂、嵌段共聚物或金属有机框架连接剂相比，这一发现突出了之前未被探索的结构导向剂领域。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4823）

2. 仿生自成形陶瓷

（Bio-inspiredself-shaping ceramics）

在很多实际应用中，人们都希望能够有利用成本低廉且高效的方法来将陶瓷塑形成错综复杂的几何结构，但就目前而言，这仍然是一项很大的挑战。Fabio L. Bargardi 等人受到植物种子散播个体微分润胀时自褶皱的启发，演示了在陶瓷中可以通过对材料的微结构进行编程来实现热处理过程中的局部各向异性收缩，从而实现陶瓷的自成形。这种微结构设计是通过在液体陶瓷悬浊液中对功能性陶瓷薄层进行磁力调整实现的，随后通过既定的酶催化反应来固化。他们通过制造表现出仿生双层结构的氧化铝坯块，在烧结步骤过程中实现了对形状变化的控制；通过对弯曲、扭曲这两种基本运动的组合编程可以获得无数复杂的形状。这种自下而上成形方法的简单性和普遍性使其将有利于制造低耗陶瓷的、耐温互锁结构或常规自上而下制造方法无法获得的特殊几何形状，对于实际应用来都很有吸引力。（Nature Communications DOI:10.1038/ncomms13912）

3. 三维全电介质光子拓扑绝缘体

（Three-dimensional all-dielectric photonic topological insulator）

二维拓扑光子系统的发现已经改变了我们对电磁波的传播和散射的观点，并且激发研究人员对三维类似状态的探索。Alexey Slobozhanyuk 等人从理论上证明了，在全电介质平台中设计对称保护的三维拓扑状态，并通过结构设计确保电场和磁场之间的电磁对偶性是可行的。磁电耦合起到形成规范场的作用，确定了具有完全三维光子带隙的“绝缘”状态的拓扑转变。他们还揭示了具有锥形狄拉克色散和自旋锁定的表面状态的出现，并通过第一性原理研究证实了表面状态沿着二维畴壁的传播。他们提出的系统作为一个桌面平台，能够模拟大型狄拉克费米子的相对论动力学，并且表面状态可以被解释为受到具有相反质量粒子的界面分离域约束的 Jackiw-Rebbi 状态。（Nature Photonics DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.253）

4. 基于本征半导体的近红外至可见光的高选择性热辐射源

（Near-infrared–to–visible highly selective thermalemitters based on an intrinsic semiconductor）

对辐射源的热辐射光谱的控制将能够提高包括照明、能量收集和传感在内的广泛领域中的能量利用效率。但在近红外至可见光范围内实现高选择性热辐射源是具有挑战性的，尤其是要明显抑制其中较长波长处不需要的热发射光谱分量，而保留在近红外至可见光范围的强辐射。为了实现这一点，Takashi Asano 等人提出了基于纳米结构本征半导体中带间跃迁的发射器。电子热波动首先被限制在光谱的高频侧（高于半导体带隙），然后被结构的光子谐振增强。理论计算表明，半径 105nm 的优化本征 Si棒阵列辐射源可以在 1400K 将 59％ 的输入功率转换成波长低于 1100nm 的辐射。理论上还指出，Si棒半径为 190nm 的发射器可以在1400K 将 84％ 的输入功率转换成波长低于 1800nm的辐射。而Asano 等人还实际制造了 Si 棒阵列辐射源，其在 790nm 波长处显示出 0.77 的高峰值辐射系数，并且在 1273K 下在1100-7000nm 处具有从低于 0.02 到 0.05 的非常低的背景辐射系数。能够承受高温的纳米结构本征半导体有望用于近红外至可见光范围内工作的高效热辐射源的开发。（Science Advances DOI:10.1126/sciadv.1600499）

5. 用于连续流中氨基酸合成的二氧化碳的光致活化

（Photoredox activation of carbon dioxidefor amino acid synthesis in continuous flow）

尽管二氧化碳（CO2）极其丰富，但其低反应性限制了其在化学合成中的使用。特别是碳-碳键形成的方法通常依赖于CO2活化的双电子机制，并且需要高度活化的反应伴侣。或者，通过光致氧化催化进入的自由基路径也可以在较温和的条件下提供新的反应性。对此，Hyowon Seo 等人报导了通过单电子还原 CO2直接耦合CO2 和胺光氧化催化流动合成α-氨基酸。他们借助流动中可以利用气体和光化学的优点，利用商用的有机光致催化剂实现了具有各种官能团和杂环的胺的选择性α-羧化。初步机理研究表明反应通过单电子的途径实现CO2 的活化和碳-碳键形成。（Nature Chemistry  DOI: 10.1038/NCHEM.2690）   

6. 对声学晶体中声波拓扑谷输运的观察

（Observation of topological valleytransport of sound in sonic crystals）

作为一种潜在的新型信息载体，谷赝自旋的概念，即标记动量空间中能量极值的量子态，引起了人们的广泛注意。与预测后不久便实现的非拓扑大体积谷输运相比，由于不可避免地原子尺度缺陷引起的谷间散射，在畴壁中的拓扑谷输运是极具挑战性的。

Jiuyang Lu 等人介绍了对声学晶体中声音的拓扑谷输运的实验观察。声学晶体的宏观性质允许对畴壁进行灵活和精确的设计。除了通过声场空间扫描实现了谷选择性边缘模式的直接可视化之外，他们还在急剧弯曲的界面中观察了到反射抗扰性。与传统声波导不同的是，拓扑保护的声波界面输运可以作为设计具有非常规功能的设备的基础。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4677）   

7. 使用氮化硼催化剂将丙烷选择性氧化脱氢为丙烯

（Selective oxidative dehydrogenation ofpropane to propene using boron nitride catalysts）

丙烷通过放热的氧化脱氢反应产生丙烯，这是在化学工业中具有改变行业游戏规则的潜在技术。然而，即使经历了几十年的研究之后，由于丙烯的过氧化在热力学上更倾向于生成二氧化碳，选择性生成丙烯的效率仍然太低而不具有商业吸引力。对此， Grant 等人报道了六方氮化硼（h-BN）和氮化硼纳米管（BNNT）展示出迄今未被预料地、独特地对于产生烯烃有很大选择性的催化性能。例如，在 14％ 的丙烷转化率下，他们得到了可以产生 79％ 丙烯和 12％ 乙烯（另一种所需的烯烃）的选择性。Grant 等人基于催化实验、光谱透视和从头算起建模，认为其中氧封端扶手椅式BN边缘为催化活性位点。（Science  DOI:10.1126/science.aaf7885）   

8.氧离子固态氧化还原反应稳定性的来源

（Originof stabilization and destabilization in solid-state redox reaction of oxideions for lithium-ion batteries）

锂电池能量密度的进一步提升对于零排放汽车十分必要。然而，能量密度不可避免地受限于正极材料的理论极限。突破这种瓶颈的一种可能的方法就是使用阴离子（氧离子）氧化还原，而不是传统的过渡金属氧化还原。然而，这些氧离子的活性起源和稳定性机制还需进一步的研究。Naoaki Yabuuchi等人发现在锂离子脱出过程中抑制类超氧物种的形成能够通过Mn4+与氧离子形成不太强的共价键来达到稳定，而且不会降低材料的导电性。在这一发现的基础上，他们报导了一种仅由3d过渡金属元素构成的电极材料。而且，这一材料表现出300 mAh/g的可逆容量。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms13814）

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