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《自然》《科学》一周(4.17-4.23)材料科学前沿要闻
发布:lee_9124   时间:2017/4/23 22:14:07   阅读:861 
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1. 3D打印透明石英玻璃

(Three-dimensional printing of transparent fused silica glass)

 
玻璃是用于科学研究、工业和社会中最重要的高性能材料之一,主要是因为它具有无与伦比的光学透明度、出色的机械、化学和耐热性能,以及热学和电绝缘性能。但是,玻璃,特别是高纯度玻璃如熔融石英玻璃,是难以成型的,用于宏观物体时需要高温熔融和铸造工艺,用于微观特征的物品需要危险化学品。这些缺点使得玻璃难以接近现代制造技术如三维打印(3D打印)。通过铸造纳米复合材料,Kotz 等人利用立体光刻 3D 打印机创造了分辨率为几十微米的透明石英玻璃组件。该方法使用 3D 打印可光固化二氧化硅纳米复合材料,并通过热处理转化为高质量的石英玻璃。打印出的熔融石英玻璃是无孔隙的,具有商业熔融石英玻璃的光学透明度,且具有几纳米粗糙度的光滑表面。通过掺杂金属盐,可以产生有色玻璃。这项工作扩大了 3D 打印材料的选择范围,使得可以利用石英玻璃创造任意的宏观和微观结构,这在工业和学术界都有许多应用。(Nature  DOI: doi:10.1038/nature22061)   
 
2. 通过石墨烯的远程外延实现基于二维材料的层转移

(Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer)
 

外延(晶体材料在基底上的生长)对于半导体工业来说非常重要,但是通常受到两种材料体系之间的晶格匹配需要的限制。不过对于范德华力外延来说,这种严格的要求被放宽了,其中分层或二维(2D)材料上的外延是由弱范德华相互作用调控的,并且还允许从 2D 表面释放薄层。一般认为2D 材料是范德华外延的唯一种子层。但是,2D 材料下的基底可能仍然与在外延期间生长的外延层发生相互作用,如对于石墨烯所谓的湿润透明的例子。Kim 等人展示了石墨烯的弱范德华电势无法完全屏蔽多基底的较强电势场,这使得能够在这种情况下发生外延生长。利用密度泛函理论计算确定了,通过高达9埃的基底-外延层间隙,吸附原子将经历与基底的远程外延登记;该间隙可容纳单层石墨烯。Kim 等人通过单层石墨烯确认了 GaAs(001)在 GaAs(001)衬底上的同质外延生长的预测,表明了该方法也适用于InP和GaP。生长的单晶膜从石墨烯涂覆的基底上被快速释放,并且当集成到发光装置中时,表现得与常规制备的膜一样。该技术使得任何类型的半导体膜都能够从它下面的衬底上通过 2D 材料复制,然后所得到的外延层可以快速释放并转移到感兴趣的基底上。该方法在非硅电子和光子学的背景下特别有吸引力,其中能重复使用石墨烯涂覆的基底,可以节省高成本的非硅基底。(Nature  DOI: 10.1038/nature22053)   
 
3. 自旋轨道耦合金属Cd2Re2O7中的宇称破缺电子向列相变

(A parity-breaking electronic nematic phase transition in the spin-orbit coupled metal Cd2Re2O7)
 
 
强电子相互作用可以使金属系统实现各种熟知的对称破缺相,但现在对具有强自旋轨道耦合的相关金属不稳定性的研究才刚刚开始。Harter 等人利用空间分辨二次谐波光学各向异性的测量揭示了金属烧绿石 Cd2Re2O7 中的多极向列相。与以前发现的电子向列相类似,这种多极相也自发破坏了旋转对称,同时保持了平移不变性。但是,在存在自旋轨道耦合时,它具有在空间反演下会异常的不同特性。通过对多极向列序参数临界状态的检测,表明了它在接近 200 开尔文时驱使了 Cd2Re2O7 中的热相变,并引起了宇称破缺晶格畸变作为次级序。(Science DOI: 10.1126/science.aad1188)
 
4. 溶液中胶体纳米粒子氧化的定量3D演化

(Quantitative 3D evolution of colloidal nanoparticle oxidation in solution)
 

胶体纳米粒子在溶液中的三维(3D)演化实时跟踪,对了解涉及纳米颗粒生长和转化的复杂机制来说至关重要。Sun 等人同时使用时间分辨的小角度和广角X射线散射来监测高度均匀的胶体铁纳米颗粒的氧化,从而能够以约5埃的空间分辨率重建纳米颗粒的中间3D形态。结合大规模反应分子动力学模拟的原位观察,揭示了固体金属纳米颗粒通过纳米尺度 Kirkendall 方法转变为中空金属氧化物纳米壳的细节。例如,空隙的聚集生长和质量扩散反向的逆转都取决于结晶度。Sun 等人的研究结果突出了缺陷化学和缺陷动力学在确定纳米粒子转化和形成过程中的复杂相互作用。(Science  DOI: 10.1126/science.aaf6792) 
 
5. IrO2(110)面上低温活化甲烷

(Low-temperature activation of methane on the IrO2(110) surface)


甲烷在理想配比的 IrO2(110) 面上可以非常容易地实现 C-H 键断裂。Liang 等人在程序升温还原反应光谱实验中,发现甲烷在 IrO2(110)面上分子吸附成为强结合的 σ 复合物,大部分吸附的配合物在 150 开尔文(K)的温度下 C-H 键进行了断裂。甲烷在 IrO2(110)面上的初始解离比例随表面温度从 175K 升高到 300K,从 80% 降低到了 20%。Liang 等人估计,甲烷 C-H 键断裂的活化能比 IrO2(110)面上吸附的前体的结合能低 9.5 kJ/mol,约为 28.5kJ/mol。低温活化可以避免在催化剂过程中不必要的副反应,以选择性地将甲烷转化为增值产品。(Science  DOI: 10.1126/science.aam9147)     

6. 脱羧烯基化

(Decarboxylative alkenylation)
 
 
烯烃化学,通过周期反应、聚合、氧化或还原,在有机物质处理中起到重要作用。尽管非常重要,但现在烯烃合成仍主要依赖于三十多年前引入的化学方法,与最近补充的复分解反应。Edwards 等人介绍了一种从任意一种最普遍存在和多样化的化学结构单元(烷基羧酸)中获取任意替代模式或几何结构的烯烃的简单方法。因此,用于酰胺键合成的活化原理可以用于以镍或铁基催化剂从羧酸中提取二氧化碳,并廉价地用有机锌衍生的烯烃以摩尔量级进行替代。Edwards 等人制备了超过 60 种烯烃,横跨多种底物类别,在10个不同族类16种不同天然产物的制备中体现了简化逆合成分析的能力。(Nature DOI:10.1038/nature22307)
 
7.纳米级悬浮电极阵列实现可扩展电生理学

(Scalable electrophysiology in intact small animals with nanoscale suspended electrode arrays)

 
对大量动物的电学测量将有助于揭示神经系统和神经疾病的基本属性。小型无脊椎动物是这些大规模研究的理想选择;但是,微观动物中的膜片钳电生理技术通常需要侵入性解剖,并且是低通量的。为了克服这些限制,Gonzales 等人提出了纳米长矛(nano-SPEARs):悬浮电极集成到可扩展的微流体装置中。利用这种技术,在完整的蛔虫、秀丽隐杆线虫中完成了首个体壁肌肉电生理学的胞外记录,还可以利用纳米长矛对多个动物平行记录,甚至对其他物种,如 Hydra littoralis 进行记录。此外,Gonzales 等人还利用纳米长矛建立了肌萎缩性侧索硬化和帕金森症的秀丽隐杆线虫模型的第一个电生理表现型,并展示了通过药物治疗救助帕金森氏症的部分救助。这些结果表明,纳米长矛为微芯片提供了核心技术,可以进行神经生物学和神经疾病的可扩展体内研究。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/NNANO.2017.55)

8. 利用相位梯度超表面控制波导模的传播和耦合

(Controlling propagation and coupling of waveguide modes using phase-gradient metasurfaces)
 
 
二维设计的光学结构或超表面的研究主要集中在控制自由空间中传播的光的波前。Li等人展示了通过亚波长间隔的强光散射来控制导波的梯度超表面结构,它由等离激元或电介质纳米天线形成的相控阵列所组成。基于这一设计原理,实验演示了支持非对称光功率传输的波导模式转换器、偏振旋转器和波导器件。他们还展示了在全介质片上,基于 Mie 谐振器的插入损耗可忽略的相控阵列偏振旋转器。Li 等人的梯度表面可以实现小尺寸、宽频带和低损耗的光子集成器件。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.50)
 

来源:新材料在线
 
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