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《自然》《科学》一周(9.25-10.1)材料科学前沿要闻
发布:lee_9124   时间:2017/10/2 22:36:51   阅读:737 
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1. 分子动力学模拟探索金属可塑性的极限

(Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations)
 
通常金属的强度和可塑性是由晶格中的位错决定的,位错的运动导致了沿晶格面的材料滑移。位错动力学模型通常用作计算成本昂贵的真实原子动力学的中尺度替代。但是,原子模拟可以准确地捕获材料响应的每个可能的机制,解决原子运动的每一个“抖动和摆动”,而位错动力学模型则不能。Zepeda-Ruiz 等人提出了在体心立方金属钽中体单晶可塑性的全动态原子模拟。目标是量化达到位错调制的可塑性极限条件,并理解金属超出这种限制会发生什么。在该模拟中,金属在恒定压力、温度和应变速率的条件下,沿其 [001] 晶轴以超高的应变速率被压缩。为了解决所研究的长度尺度(85-340nm)和时间尺度(1ns-1ms)的晶体可塑性过程的复杂性,Zepeda-Ruiz 使用最近开发的原位计算显微镜方法将模拟中生成的大量瞬态轨迹数据重写成可以由人分析的形式。模拟预测显示在达到应变的某些限制条件时,单纯位错无法再缓解机械载荷;相反,称为形变孪晶(晶格的突然重新取向)的另一种机制接管了作为动态响应的主导模式。在这个极限以下,只要其后的应变条件保持不变,金属会呈现塑性流动的应变路径不相关的稳态,其中流动应力和位错密度保持恒定。在这种独特的状态下,钽如粘稠流体般流动,同时保持其晶格并依然是强而硬的金属。(Nature  DOI: 10.1038/nature23472)   
 
 
2.热电材料研究进展:回顾与前行

(Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward)
 
高性能热电材料作为热电学的核心,是用于直接热电转换的最简单的技术。在近 60 年的历史中,热电材料研究领域曾多次停滞,但每次都被新的体系所复兴。He 等人回顾了由缺陷、尺寸效应、临界现象、非调谐性和自旋自由度引起的几种潜在的体系变化机制。这些机制将其它不利的相关性物理量朝着更高的材料性能分解。最后他们还简要讨论了一些有前景的材料,先进的材料合成和制备技术以及新的机遇。(Science DOI: 10.1126/science.aak9997)
 
 
3. 电子晶体生长

(Electronic crystal growth)
 
相互作用的原子或分子冷却时凝结成液体,当进一步冷却时,它们会形成晶体。原子或分子排序的时间演化作为过冷液体或玻璃中有序的非平衡相,已经被广泛的研究。在各种相关的电子系统中,相互作用电子也形成晶体,但在实验上观察电子结晶的时间演化一直具有挑战性。Sato 等人使用表现为过冷充电液体或充电玻璃的亚稳态有机导体,通过电阻率和核磁共振测量观察了电子晶体的生长。他们得到的晶体生长温度曲线与经典系统中观察到的温度曲线相似,并揭示了电子结晶机理的两种不同方案。(Science DOI: 10.1126/science.aal2426) 
 
 
4. 相关金属中磁性 Weyl 费米子的证据

(Evidence for magnetic Weyl fermions in a correlated metal)
 
Weyl 费米子作为三维无隙拓扑激子,在弱相关的反向对称破缺半金属中已经被观察到了。然而,对于它们在强相关材料中的自发时间-反转-对称破缺相的实现迄今仍然是假设。Kuroda 等人报道了 Mn3Sn 中的磁性 Weyl 费米子的实验证据,这是一种非共线反铁磁体,即使在室温下也显示出很大的反常霍尔效应。通过角分辨光电子发射光谱(ARPES)测量和密度泛函理论(DFT)计算的详细比较,揭示了由 Mn 3d 电子之间的强相关性引起的显着的带宽重整化和阻尼效应。磁传输测量为 Weyl 费米子的手性异常提供了强有力的证据,也就是说仅在存在并联电场和磁场的情况下出现正磁导率。鉴于弱磁场(约 10 mT)足以控制 Weyl 点和他们在动量空间产生的大型虚拟场(相当于大约几百 T)的分布,Kuroda 等人的发现为包括强相关电子系统如 Mn3Sn 的磁性 Weyl 激子的科技新领域奠定了基础。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4987)   
 
 
5. 亚铁磁体角动量补偿温度附近的快速畴壁运动

(Fast domain wall motion in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets )
 
反铁磁自旋电子学是一个新兴的研究领域,旨在利用反铁磁体作为自旋电子器件的核心元件。这个方向的主要动机是反铁磁自旋动力学预计比其铁磁对应物快得多。最近的理论确实预测了反铁磁畴壁(DW)的动力学比铁磁 DW 更快。然由于为反铁磁体的磁场抗扰度的原因,反铁磁自旋动力学的实验研究尚未开发。Kim 等人表明,在角动量补偿点 TA 处,铁磁体中实现了快速场驱动的反铁磁自旋动力学。使用稀土-3d-过渡金属铁磁性化合物,其中净磁矩在 TA 处非零,场驱动的 DW 迁移率显著提高到了 20km s-1T-1。对于亚铁磁体和原子自旋模型模拟概括的集体坐标方法表明,这种显著的增强是 TA 处反铁磁自旋动力学的结果。这一发现使我们能够研究反铁磁自旋动力学的物理学特征,并强调了对亚铁磁材料的角动量补偿点进行调谐的重要性,这可能是亚铁磁自旋电子学的关键。(Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4990)
 
  
 
6.混合超金属氧化物 BaOCa+的合成

(Synthesis of mixed hypermetallic oxide BaOCa+ from laser-cooled reagents in an atom-ion hybrid trap )

对于化学式 MOM 的超金属碱土金属(M)氧化物已在等离子条件下进行了研究,但并没有对它们的形成机理进行深入理解。Puri 介绍了新兴技术在超冷物理学中的应用,用以合成混合超金属氧化物 BaOCa+。这些通过高级别电子结构计算增强的方法允许通过 Ca(3PJ) 与 BaOCH3+ 的无过渡态反应,对键合、结构以及其形成机理进行详细的研究。作为反应动力学进一步研究的碰撞能量在 0.005 开尔文(K)到 30K 范围内的函数,以及单个 Ca 精细结构水平的进一步研究,都能与基于长程捕获理论的计算相媲美。(Science  DOI: 10.1126/science.aan4701)   
 
 
7. 非包覆方式实现高性能Li-S电池

(Non-encapsulation approach for high-performance Li–S batteries through controlled nucleation and growth )

高表面积、纳米结构的碳材料已被广泛应用于S的包覆,以提高Li-S电池的循环稳定性,但是,很高的碳含量和很低的堆积密度限制了电池的能量密度。Pan等人报导了一种不依赖于S包覆的方法来提高电池的性能。他们使用低表面积、开口的碳纤维结构和调控碳的表面化学以及溶剂的性质(例如,供体数和锂离子的扩散)来控制S的形核和成长。这一方法有利于大开孔碳球的形成,并阻止了不想得到的绝缘含S薄膜的形成。这一机制导致接近100%的S利用率,几乎没有容量衰减、超过99%的库伦效率和高能量密度(1835 Wh/kg和2317 Wh/L)。这一发现通过控制低表面积碳上的S反应为设计高能量、低成本的Li-S电池提供了新的方式。(Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-017-0005-z)。
 
 
8.纳米晶氮化钛膜实现氢气分离

(Hydrogen separation by nanocrystalline titanium nitride membranes with high hydride ion conductivity)
 
面向能源应用和相关产业的纯氢的生产通常依赖于氢通过Pd基膜的渗透。然而,Pd含量稀少,使发展具有高渗氢能力、低廉的替代品成为当务之急。Kura等人报导了氮化钛通过混合氢化离子-电子传导实现室温氢渗透。结合谱线、渗透率和微重测量揭示了纳米晶TiNx膜伴随着纳米晶上界面Ti阳离子具有提高的氢化离子晶界扩散。因为相应的激活能很低(小于10kJ/mol),这些膜产生了比相同厚度Pd膜高很多的室温氢通量。这一研究为发展氢化离子传输膜提供了通用的指导原则。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0002-2)
 


来源:新材料在线
 
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