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《自然》《科学》一周(6.5-6.11)材料科学前沿要闻
发布:lee_9124   时间:2017/6/12 13:03:24   阅读:621 
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1. 近似量子自旋液体 α-RuCl3 中的中子散射

(Neutron scatteringin the proximate quantum spin liquid α-RuCl3)

Kitaev 量子自旋液体(KQSL)是一种奇异的突发物质态,显示了 Majorana 费米子和量子通量激发。磁绝缘体α-RuCl3 被认为实现了近似 KQSL。Banerjee 等人对α-RuCl3 单晶使用中子散射来重建能量-动量空间的动力学关系,发现了非常特殊的信号,包括在布里渊区域中心附近覆盖大能量间隔上的一列散射,其在温度上非常稳定。这个发现与一个 KQSL Majorana 激发的散射是一致的。其它更微妙的实验特征可以明显看出与理想模型的扰动相关联。这一结果鼓励对这种典型材料的进一步研究,可能会打开一个探讨相关材料中突发磁性Majorana 费米子的窗口。(Science  DOI: 10.1126/science.aah6015)  
 
 

2. 通过可逆芳基化实现钯催化碳-硫或碳-磷键复分解

(Palladium-catalyzed carbon-sulfuror carbon-phosphorus bond metathesis by reversible arylation)

带有芳基硫和芳基磷键的化合物已经在药物开发、有机材料、聚合物科学和均相催化中得到广泛应用。Lian 等人描述了两种化合物类型的钯催化复分解反应,其中每一种都通过可逆的芳基化簇进行。这种方法的合成能力和即时效用在多个应用中得到了证明,这些应用通过传统的交叉耦合方法来实现会有挑战。C(sp2)-S 键复分解方案曾用于商业热塑性聚合物的解聚和药物的后期衍生化。C(sp2)-P变体使得通过闭环转化能够方便地制备各种磷杂环,包括潜在手性配体和荧光有机材料。(Science  DOI: 10.1126/science.aam9041)  
 
 
 
3. 具有序列编码性质的聚合肽色素

(Polymeric peptide pigmentswith sequence-encoded properties)

黑色素是提供紫外线(UV)光保护、结构支持、着色和清除自由基的一系列异质聚合物颜料。黑色素由儿茶素小分子的氧化低聚形成,物理性质受共价和非共价无序的影响。Lampel 等人报导了使用含酪氨酸的三肽作为聚合物色素的可调前体。在这些结构中,苯酚以取决于肽序列中氨基酸位置的(超)分子的情况呈现。氧化聚合可以以与序列相关的方式来调节,从而产生肽序列编码的性质,例如在相当大的范围内的UV 吸光度、形态、着色和电化学性质。短肽的应用壁垒较低,并且比较容易扩展,这能够用于化妆品和生物医学中的短期应用。(Science DOI: 10.1126/science.aal5005)  
 
 

 
4. 在复杂无机相场中加速发现两种晶体结构类型

(Accelerated discovery of two crystalstructure typesin a complex inorganicphase field)

缺乏对新材料的大量可能的元素组分以及每个组分的候选结构探索的有效方法阻碍了新材料的发现。例如,无机扩展固体结构的发现依赖于晶体化学知识以及体系元素比多变的耗时的材料合成。现已经发展了理论计算方法,通过预测特定组合物的结构和预测已知晶体结构的组分来指导合成。然而,对于组分复杂的体系,寻找新的实验上可实现的化合物,包括与已知结构不同的晶体结构中晶胞和其中的原子位置,仍然面临挑战。许多重要特性来自于对已知的晶体结构的替代,但是使用这种方法探索材料的同时,伴随着试图利用不完整的知识进行设计并失去一流性能的危险。Collins 等人通过计算识别包含复杂无机相场的区域,报导了对两种结构类型的实验发现。这是通过对包含系统化学和结构多样性的探测结构的计算实现的,并且其能量可以根据当前已知材料的组合进行排序。随后对计算相图的最低能量区域的实验探索,得到了先前未报告过的具有独特结构单元的晶体结构的两种材料。通过扩展支持它们的知识库,有效地指导综合和增强计算工具的预测能力,这种方法将加速对复杂组分空间中新材料的系统发现。(Nature DOI: 10.1038/nature22374)
 
 
 
5. 纳米多孔原子级厚度薄膜的基本传输机制、制备和潜在应用

(Fundamental transport mechanisms, fabricationand potential applications of nanoporous atomically thinmembranes)

石墨烯和其它二维材料为控制纳米级质量传输提供了新方法。这些材料可以在其刚性晶格中维持纳米级孔隙,并且由于其可实现的最小的材料厚度、高机械强度和化学稳定性,使它们可用于解决膜分离中的长期挑战。Wang 等人讨论了纳米多孔原子级厚度薄膜新兴领域的理论和实验发展,重点关注了气相液相输送的基本机制,膜制造技术以及实际应用的进展。他们还强调了膜的潜在功能特征,并讨论了预测能够提供优势的应用。最后,概述了需要解决的主要科学问题和技术挑战,以弥合从理论模拟和概念验证实验到实际应用的差距。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.72)
   
 
 
6. 通过控制枝晶生长方向使锂金属电极可再充

(MakingLi-metal electrodes rechargeable by controlling the dendrite growth direction)

重复电镀或剥离过程中锂枝晶形成和生长是长期存在的问题,这阻碍了锂金属阳极用于高比能量电池的实际应用。Liu 等人开发了一种用具有固定锂离子的功能化纳米碳(FNC)涂覆隔膜来控制枝晶生长的方法。在循环过程中,锂枝晶同时从隔膜上的 FNC 层和锂金属阳极相向生长;当枝晶相遇时,会改变生长方向:在隔膜和锂阳极之间形成致密的锂层,而不是穿透隔膜。这种受控的生长减轻了固体电解质中间相的形成,减少了电解质的分解,并提高了锂金属电池的循环性。在具有三种不同电解质的Li/ LiFePO4 纽扣电池中,Liu 等人展示了这种方法可以实现长期稳定的循环寿命(>800次循环,保持初始容量的 80%)并提高效率(>97%)。这种方法不仅可以应用于实际的锂金属电池,并且还可用于处理其它金属的枝晶问题。(Nature Energy DOI: 10.1038/nenergy.2017.83)
 
 
 
7. 地壳含量丰富的电催化剂实现 CO2到 CO 的太阳能转化

(Solar conversion of CO2to CO using Earth-abundant electrocatalysts prepared by atomic layermodification of CuO)

利用太阳能驱动将二氧化碳电化学还原为燃料和化学品,这为闭合人为碳循环提供了一个很有前景的方式。但截至目前,仍缺乏能够用于在水性基质中实现期望的转化反应且丰富存在的选择性催化剂。Schreier 等人介绍了将 SnO2 在 CuO 纳米线上进行原子层沉积,作为改变 CuO 驱动的 CO2 还原电极催化剂产物分布广泛的手段,转而主要产生 CO。这种催化剂对氧气析出的活性,使得能够同时将其用作完全二氧化碳电解的阴极和阳极。在最终得到的器件中,电极被双极膜隔开,使得每个半反应都在其最佳电解质环境中进行。利用GaInP/GaInAs/Ge 光伏,最终实现了效率 13.4%的太阳能驱动的二氧化碳分解为 CO 和氧气,而且是在一个具有双功能、可持续并具有地壳丰富元素的系统。(Nature Energy  DOI: 10.1038/nenergy.2017.87)  
 
 
 
8. 双层石墨烯中的超快速锂扩散

(Ultrafast lithium diffusionin bilayer graphene)

固体能够同时传导电子和离子,是电池电极所需的传质和储存的关键要素。室温下具有高电子和离子电导率的单相材料是难以达到的,因此如今已经提出了具有单独的离子和电子通道的多相体系。Kühne 等人发现将双层石墨烯作为单相混合导体,其表现出比石墨中更快的锂扩散,甚至超过了氯化钠在液态水中的扩散。为了测量锂扩散,Kühne 等人开发了集成电化学电池结构,其中迫使锂插层的氧化还原反应仅局限在器件的突起处,使得石墨烯双层在操作期间不受电解质扰动。而且他们还演示了通过空间位移霍尔探针进行时间相关的霍尔测量,以监测石墨烯双层内的面内锂扩散动力学,测量得到的扩散系数高达7×10-5 cm2s-1。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/NNANO.2017.108)   


来源:新材料在线
 
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