《自然》《科学》一周（2.6-2.12）材料科学前沿要闻

Original 2017-02-14 新材料在线 新材料在线

1. 高压下氦和钠的稳定化合物

（A stable compound of helium andsodium at high pressure）

氦通常被认为是化学惰性的，这是因为它极其稳定的闭壳电子构型，零电子亲和力和卓越的电离势。除了少数包合物之外，能否形成热力学稳定的化合物尚未可知。Dong 等人使用了从头算的进化算法 USPEX 和金刚石压砧高压合成，发现了热力学稳定的氦和钠的化合物，Na2He，它具有萤石型结构，以及能在 >113GPa 压力下保持稳定。他们还展示了He 原子的存在导致强电子局域化，并使得这种材料绝缘。该相是一种电子相，使电子对定位在间隙中，在空的 Na8 立方体内形成八芯双电子键。他们还预测在高于 15GPa 的压力下具有类似Na2HeO 结构的化合物存在。（Nature ChemistryDOI: 10.1038/NCHEM.2716）

2. 化学构成多样且多功能的有机-无机混合钙钛矿

（Chemically diverse andmultifunctional hybrid organic–inorganic perovskites）

有机-无机混合钙钛矿（HOIP）可以具有宽泛的组成成分，包括卤化物，叠氮化物，甲酸盐，二氰胺，氰化物和二氰基金属盐。这些材料具有几个共同的特征，包括它们典型的ABX3 钙钛矿结构和存在占据 A 位点的有机胺阳离子。目前对HOIP 的研究倾向于关注金属卤化物 HOIP，它很有希望用于太阳能电池和光电子器件中；不过，其它亚类也表现出多样的物理性质。Li 等人总结综述了所有已知 HOIP 亚类的化学可变性和结构多样性，还讨论了它们引人注目的物理性能，包括光伏和光电性能、介电性、磁性、铁电性、铁弹性和多铁性的综合报告。（Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2016.99）

3.直接观测超级电容器电极中的离子动力学

（Direct observation of ion dynamicsin supercapacitor electrodes using in situ diffusion NMR spectroscopy）

多孔碳电极内的离子传输是超级电容器中能量存储的基础，也决定着它们充放电的速率，但很少有研究阐明影响离子动力学的材料性质。Forse 等人使用原位脉冲场梯度 NMR 光谱对超级电容器中的离子扩散进行了直接测量。他们发现纳米多孔电极结构中的限制使其相比于纯电解质减少了超过两个数量级的离子有效自扩散系数，并且孔内扩散由电极/电解质界面处离子总数的变化调制。电解质浓度和碳孔大小分布也影响孔内的扩散和离子在纳米孔中的移动。根据他们的发现，Forse 等人认为控制充电机制可以调整超级电容器的能量和功率性能从而应用于一系列不同的应用。（Nature Energy DOI: 10.1038/nenergy.2016.216）

4. 距离相关性磁共振成像

（Distance-dependentmagnetic resonance tuning as a versatile MRI sensing platform for biologicaltargets）

纳米尺度的距离依赖性现象，例如福斯特共振能量转移，是用于感测和成像的重要相互作用，但是它们对于生物成像的通用性会受到与周围生物基质，特别是体内系统不希望出现的光子相互作用的限制。Choi 等人报导了一种新型的基于磁性的纳米级距离依赖性现象，可以定量和可逆地对生物学重要目标的分子内/分子间相互作用进行感测和成像。他们还引入了发生在顺磁性“增强剂”和超顺磁性“猝灭剂”之间的距离依赖性磁共振调谐（MRET），其中 T1 磁共振成像（MRI）信号被调为 ON 或 OFF 是取决于淬灭剂和增强剂之间的间隔距离。利用MRET，Choi 等人证明了用于纳米尺度距离测量的基于 MRI 标尺的原理，并成功检测到分子相互作用（例如：裂解、键合、折叠和展开）和体外与体内系统的生物学目标。MRET 可以作为一种新的传感原理来扩大对更广泛的生物系统的探索。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4846）

5.双异质结纳米棒光响应LED

（Double-heterojunctionnanorod light-responsive LEDs for display applications）

双功能显示器可以通过可见光同时发送和接收信息与能量，这将增强用户界面和设备与设备的交互性。Oh 等人将双异质结设计成胶体半导体纳米棒，可以在单个器件内同时实现电致发光和通过光伏响应高效地产生光电流。这些双功能、全溶液处理的双异质结纳米棒光响应发光二极管，为各种先进的应用开拓了可行的路线，包括从无接触交互式屏幕到能量收集和清除显示，以及大规模并行的显示器与显示器的数据通讯。（Science DOI: 10.1126/science.aal2038）

6. 通过原子触点进行热传输

（Heat transportthrough atomic contacts）

纳米级的热传输和耗散严重限制了高性能电子器件和电路的小型化。金属原子结作为模型系统可以用来探测一维（1D）系统中原子水平的电和热传输也就是发生的量子效应。尽管在过去二十年中已经深入研究了原子结中的电荷传输，但是对热传输的表征依然很不充分，因为它需要结合小热通量的高灵敏度和稳定原子接触的形成。Mosso 等人利用原子结，实现了对室温下金单原子触点热传递的测量，以及热导的分析。对电荷和热传递的同时测量，揭示了电和热传导之间的比例性，是由相应的电/热导量子量化的。这构成了对 Wiedemann-Franz 定律在原子尺度上的验证。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2016.302）

7. 光伏场效应晶体管

（Photovoltagefield-effect transistors）

对红外辐射的探测使得夜视、健康监测、光通信和三维物体识别成为可能。硅广泛用于现代电子学中，但其电子带隙阻碍了长于约1100纳米波长的光的检测。因此，人们很关注将硅光电检测器的性能扩展到超出硅的带隙的红外光谱中去。Adinolfi 等人演示了以硅用作电荷传输的光伏场效应晶体管，但由于使用量子点，光吸收剂也对红外光敏感。在硅和量子点之间的界面处产生的光伏器件，结合由硅器件提供的高跨导，使其具有高增益（在1500纳米下每个光子超过104个电子）、快速时间响应（小于10微秒）和广泛可调的光谱响应。Adinolfi 等人的光伏场效应晶体管的响应度在1500 纳米的波长比先前的红外敏化硅检测器高5个数量级。敏化使用室温溶液工艺实现，并且不依赖于传统的高温外延生长半导体（例如用于锗和III-V半导体）。研究结果表明，胶体量子点可以作为硅基红外检测的高效平台，能与目前最先进的外延半导体竞争。（NatureDOI: 10.1038/nature21050）

8.用于化学选择性甲硫氨酸生物偶联的氧化还原试剂

（Redox-basedreagents for chemoselective methionine bioconjugation）

半胱氨酸可以通过无数的酸碱结合的方法特异性官能化，并应用于探测从蛋白质功能到抗体-药物缀合物和蛋白质组。相反，与其它含硫氨基酸（甲硫氨酸）的选择性连接已被其固有的、较弱的亲核性排除了。Lin 等人报导了一种用于通过氧化还原反应化学选择性甲硫氨酸生物偶联的策略，他们使用基于氧氮丙啶的试剂实现高度选择性，在一系列生物相容的反应条件下快速、强大地进行甲硫氨酸标记。他们还突出强调了这种共轭方法的广泛效用，可以使精确添加有效载荷到蛋白质上、合成抗体-药物偶联物，以及鉴定整个蛋白质组中的高反应性甲硫氨酸残留。（Science DOI: 10.1126/science.aal3316）

9. 用人工神经网络解决量子多体问题

（Solving thequantum many-body problem with artificial neural networks）

由量子物理中多体问题所构成的挑战，源于很难描述多体波函数指数复杂度中编码的重要相关性。Carleo 等人演示了波函数的系统性机器学习可以将这种复杂性减少到易于处理的计算形式，用于一些物理学关注的情况。他们还介绍了基于数量可变的隐藏神经元的人工神经网络的量子态的变分表示。这种增强学习方案能够发现基态以及描述复杂相互作用量子系统的单一时间演化。并且，这种方法在一维和二维描绘原型交互自旋模型中实现了高精度。（Science DOI:10.1126/science.aag2302）

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