《自然》《科学》一周（1.30-2.5）材料科学前沿要闻

Original 2017-02-07 新材料在线 新材料在线

1.水基生物相容性 2D 晶体油墨

（Water-basedand biocompatible 2D crystal inks for all-inkjet-printed heterostructures）

要想利用二维晶体的性质，需要生产方法能够在任何基底上大规模制备任意复杂度的异质结构。溶液处理石墨烯可以用到简单且低成本的技术上，例如用喷墨印刷制造器件。但是现在可用的印刷制剂还不够理想，因为它们都基于有毒溶剂，浓度低或耗时且加工昂贵。此外，由于不同二维晶体的再混合会导致界面不受控制以及器件性能变差，所以没有一种方法可以适用于薄膜异质结构的制造。McManus 等人展示了能够实现可印刷喷墨、水基、二维晶体制剂的一般方法。这种方法也为多层制造提供了最佳的薄膜成型。此外，他们还展示了全喷墨印刷异质结构的实例，例如印刷在塑料和纸张上的大面积光电传感器阵列以及可编程逻辑存储器件。最后，体外剂量递增细胞毒性测定确认了该墨水的生物相容性，扩展了其用于生物医学的可能性（Nature Nanotechnology DOI:10.1038/NNANO.2016.281）

2.准固态可再充电 Na-CO2 电池

（Quasi–solidstate rechargeable Na-CO2 batteries with reduced graphene oxide Na anodes）

使用土壤中含量丰富的钠和温室气体 CO2制造 Na-CO2 电池，是用于移动和固定能量存储的很有前景的方法，但是这种电池仍然存在液体电解质泄漏和 Na 金属阳极不稳定的安全风险。这些问题导致了 Na-CO2 电池极其恶劣的操作条件，并增加了推广该技术的难度。Hu 等人使用复合聚合物电解质（CPE）和还原氧化石墨烯（rGO）钠阳极的高安全性组装了准固态Na-CO2电池。PVDF-HFP [聚（偏二氟乙烯-共-六氟丙烯）]-4％SiO2/NaClO4-TEGDME（四乙二醇二甲醚）的 CPE 具有高离子传导性（1.0 mS·cm-1）、强韧性和强电解液锁定能力。此外，rGO-Na 阳极呈现快速和非枝晶 Na+ 电镀/剥离（5.7至16.5 mA·cm-2）。改善的动力学和安全性使得构建的 rGO-Na/CPE/CO2电池能够在足够宽的 CO2 分压窗口（5-100％，模拟汽车排气）中成功循环，特别是在500 mA·g-1 下成功运行 400 个循环，纯 CO2 中固定容量为 1000 mA·hour·g-1。此外，还在袋装型电池（20×20 cm，10 g，232 Wh·kg-1）中将可逆容量增大到 1.1 A·hour。这项研究使准固态 Na-CO2 电池表现出更加引人注目前景。（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1602396）

3. 阻塞上皮细胞中流动性内吞唤醒

（Endocytic reawakeningof motility in jammed epithelia）

最近，已经根据干扰或刚度转变解释了上皮单层细胞的动力学。但是，对于细胞是如何控制这种相变的仍属未知。Chiara Malinverno 等人展示了RAB5A作为一种关键的内吞蛋白足以在运动阻滞的单细胞层中诱导产生可以跃过几十个细胞的大规模、协调的能动性。这与增强的牵引力和细胞突起的延伸有关。减少分子的内吞作用、巨胞饮作用或者增加流体排出消除了RAB5A诱导的集体能动性。基于机械连接张力和活动细胞重定向机制的简单模型，他们确定了单层动力学的区域，依据大规模定向迁移和局部非阻塞相结合解释了移动的内吞唤醒。多细胞动力学的这些变化使聚集体在物理限制下实现迁移，并可能被肿瘤用于间质传播。（Nature Materials DOI:10.1038/NMAT4848）

4. 钛的复合介导马氏体相变

（Complexion-mediated martensitic phase transformationin Titanium）

调整金属合金的微观结构和机械性能的最有效的方法在于设计和使用无热相变，例如年生产能力达到1500百万吨的形状记忆合金和高强度钢。在这些材料中，通过组分调整实现对马氏体形成和机械孪晶的调节，从而实现复杂的微结构和有利的机械性能。 Zhang 等人报告了一种新的有潜力拓宽钛合金应用窗口的相变，即通过复合介导转化将这种航空航天设计中最重要的结构材料纳米结构化。这是一种可逆的马氏体转变机制，使α’’（斜方晶）马氏体与无热 ω（a-ω 六方晶）平面复合体结合为最终纳米层结构。两个相在结晶学上与母体 β（BCC）基质相关。（Nature CommunicationsDOI: 10.1038/ncomms14210）

5. 无机纳米结构中原子手性的综合表达

（Cooperativeexpression of atomic chirality in inorganic nanostructures）

综合手性现象通过分子内和分子间相互作用广泛存在于生物分子和有机系统中，但是对于无机材料仍缺乏研究。Wang 等人在从理论和实验上研究了胶体朱砂汞硫化物纳米晶体中的综合手性，认为这种现象是源于不同长度尺度情况下晶体晶格和几何形态之间的手性相互作用，并开发了两步合成方案从而能够控制这两种类型手性的关键参数，使得通过材料工程能让不同的手性相互作用表现为可观察的。此外，他们还采用有限元方法的电磁模型阐明了无机系统中的综合手性，并显示出与实验结果极好的一致性。Wang 等人的研究能使一个新兴类别的纳米结构具有特定的综合手性，这对于从根本上了解纳米尺度手性以及基于新的旋光构建块的技术应用至关重要。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms14312）

6.锂锰镍氧化物中的相变机制

（Phase transformationmechanism in lithium manganese nickel oxide revealed by single-crystal hardX-ray microscopy）

了解固态相变的反应途径和动力学，对于设计具有更好性能与稳定性的先进电极材料而言至关重要。尽管在所涉及的物相之间具有很大晶格失配的一级相变，尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4 即使在大尺寸颗粒情况下也具有很高的倍率，还存在待解开的谜底。Kuppan等人使用先进的二维和三维纳米断层扫描对一系列成形良好的LixMn1.5Ni0.5O4（0≤x≤1）晶体进行观测，从而使中尺度相分布可视化，以作为亚粒子水平的Li 含量的函数。在部分脱锂的晶体上明显观察到不均匀性以及富Li 相和贫 Li 相共存，并提供了直接证据证实具有成核和生长过程，而不是收缩核心或逐个形成颗粒的过程。（100）晶面在截顶八面体颗粒的顶点的优越动力学促进了优先脱锂，而对应变诱导破裂的观察则表明了材料中的力学性能恶化的原因。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms14309）

7.纳米多孔碳超级电容器中离子约束和脱溶的量化

（Quantificationof ion confinement and desolvation in nanoporous carbon supercapacitors with modellingand in situ X-ray scattering）

对带电碳纳米孔中离子的限制和脱溶的细致理解是实现先进电化学能量存储和水处理技术的关键。Prehal 等人提出了原位小角度 X 射线散射实验数据与蒙特卡罗模拟长尺度依赖性离子排布的协同组合。在这种方法中，模拟是基于实验获得的实际碳纳米孔结构和电极中的全局离子浓度的。测量数据和模拟散射数据的组合提供了令人信服的证据，即使在平均孔径大大超过1nm 的混合微-介孔碳中，水中的 Cs+ 和 Cl- 离子存在部分去溶剂化。水溶壳的紧密附着有效地防止了平均孔径亚微米的碳中的完全脱溶。反离子随着电压的增加而将其局部环境改变为高限制的趋势决定性地确定了超级电容器电极的性能。（Nature Energy DOI: 10.1038/nenergy.2016.215）

8. 自表面电荷剥离和静电调节的二维异质多层杂化物

（Self-surfacecharge exfoliation and electrostatically coordinated 2D hetero-layered hybrids）

目前，通过连续薄膜外延生长实现的原子级二维（2D）异质层结构的技术基础，原则上受到晶格匹配前提条件以及产量低和生产昂贵的限制。Yang 等人通过高度可缩放的自表面电荷剥离和静电耦合方法实现了人工调节超薄 2D 异质多层金属硫族化合物。具体来说，本体金属硫族化合物在表面活性剂/无嵌入剂的介质中自发地剥离成超薄层，随后与异质过渡金属硫族化合物 MoSe2 进行无约束静电耦合，成为可扩展异质多层混合物。因此，表面和界面主导的光催化反应可用作理想的测试台，验证了多种2D 超薄异质多层材料的可靠性，显示出高可见光反应活性、高效的电荷转移和紧密接触界面，可用于稳定循环和储存。这种合成方法促成了可变厚度和可预期的组分控制，将推进用于大规模勘探和应用的“设计构建的”2D 多层异质结的研发。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms14224）

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