微米和纳米科技材料

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

1. 石墨烯纳米流体通道中的高速水传输

(Fast water transport in graphene nanofluidic channels)

材料名称:石墨烯

研究团队:波士顿大学 Chuanhua Duan课题组

在石墨纳米管(包括碳纳米管和石墨烯纳米通道)中发现的超快速水传输,涉及分离过程和能量转换中的关键应用。但是,缺少对单个管道水平上的全面理解,这限制了具有实际应用所需输运性质的新型碳纳流体结构和器件的开发。Xie 等人表明了,使用毛细管流量和一种新型混合纳米通道设计可以准确地确定单个石墨烯纳米通道的液体阻力和滑移,而无需再估算毛细管压力。结果显示,石墨烯纳米通道中的石墨烯滑移长度约为 16nm,虽然在 0 至 200nm 之间具有大的变化,但与通道高度无关。Xie 等人通过分子动力学模拟结果证实了这一发现,表明这种滑移长度的广泛分布是由于石墨烯的表面电荷以及石墨烯与其二氧化硅基底之间的相互作用。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0031-9)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

2. 类似肌肉性能的液压放大自愈静电致动器

(Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance)

材料名称:自愈液体电介质

研究团队:加拿大滑铁卢大学 Keplinger课题组

现有的软致动器一直限制了软机器人的潜力,软机器人的需求突出强调高速、高效和稳健的软传感器。Acome 等人描述了一类称为液压放大自愈静电(HASEL)致动器的软致动器,它利用了一种耦合静电和液压力来实现各种致动模式的机制。介绍了 HASEL 致动器的原型设计,并展示了其强大的肌肉般的性能,以及它们在电介质击穿之后反复自愈的能力(全部使用广泛可得的材料和常用的制造技术)。一个柔软的抓手处理微小的物体和一个自感应人造肌肉为机械臂提供动力,共同展示出了 HASEL 致动器在下一代软机器人设备上的巨大潜力。(Science DOI: 10.1126/science.aao6139)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

3.通过特定的非共价交联实现的机械稳健、易于修复的聚合物

(Mechanically robust, readily repairable polymers via tailored noncovalent cross-linking)

材料名称:易修复聚合物 poly(ether-thiourea)TUEG3

研究团队:日本东京大学 Takuzo Aida课题组

扩大可再生材料的范围是可持续社会的一个重要挑战。非晶态的高分子量聚合物通常会形成机械坚固的材料,但它们一旦断裂就难以再修复了。这是因为它们的聚合物链严重缠结,并且在合理的时长范围内扩散得太迟,从而导致无法合并断裂的表面。Yanagisawa 等人报导了,当低分子量聚合物通过密集的氢键交联时,尽管它们的扩散动力学极其缓慢,但仍然产生了机械稳健并易于修复的材料。其中的关键是使用了硫脲,这种硫脲能够不规则地形成锯齿形氢键阵列,而不会引起不利于结晶的情况。另一个关键是加入了用于激活氢键对交换的结构部件,这使得断裂部分能够在压缩下轻松地重新结合。(Science DOI: 10.1126/science.aam7588)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

4. 在高达 100 开尔文的单层晶体中观察的量子自旋霍尔效应

(Observation of the quantum spin Hall effect up to 100 kelvin in a monolayer crystal)

材料名称:碲化钨(WTe2)

研究团队:麻省理工学院 Jarillo-Herrero课题组

迄今提出的作为二维拓扑绝缘体的各种单层晶体都表现出了量子霍尔效应(QSHE),这甚至在高温情况也可能存在。Wu 等人报导了在温度高达 100 开尔文的情况下,观察单层碲化钨(WTe2)中的 QSHE。在短边界限制下,单层表现出标记传输电导,每边约为 e2/h,其中 e 是电荷,h 是普朗克常数。此外,磁场抑制了电导,并且观察到的塞曼型间隙表明了 Kramers 退化点的存在,以及时长反转对称性对于防止弹性后向散射的重要性。这一研究结果建立了温度比半导体异质结构更高的 QSHE,并使得能够探索原子级厚度晶体的拓扑相位。(Science DOI: 10.1126/science.aan6003)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

5. 通过顺序边缘外延一锅法生长二维横向异质结构

(One-pot growth of two-dimensional lateral heterostructures via sequential edge-epitaxy)

材料名称:二维过渡金属硫族化合物

研究团队:南佛罗里达大学Gutiérrez课题组

过渡金属硫族化合物的二维异质结在隧穿晶体管、发光二极管、光电探测器和光伏电池等低功耗、高性能和柔性的电光器件中的都具有应用潜力。尽管复杂的异质结构是通过不同的二维材料的范德华力叠加制造的,但对于具有多个结的高质量横向异质结构的原位制造仍然是一个挑战。已经存在通过单步、两步或多步生长过程合成了过渡金属硫族化合物的横向异质结构。但是,这些方法缺乏控制个别领域原位增长的灵活性。多连接横向异质结构的原位合成不需要源或反应器的多次交换,但由于其将边缘暴露于环境污染,在周期性结构中损害了畴尺寸的均匀性,并导致反应时长较长,因此在先前方法中受到限制。Sahoo 等人报告了一锅法的合成方法,可以利用单一的非均相固体源,实现连续制造由过渡金属硫族化合物单分子层组成的横向多结异质结构。异质结的连续形成仅通过在水蒸气存在下改变反应性气体环境的组成来实现。这使得能够选择性地控制每种过渡金属前体的水诱导氧化和挥发,以及其在基底上的成核,从而致使不同的过渡金属硫族化合物实现顺序边缘外延。光致发光图证实了带隙的顺序空间调制,并且原子分辨图像揭示了单晶体结构内的不同过渡金属硫族化合物结构畴之间的无缺陷横向连接性。电输运测量揭示了跨结点的类二极管响应。Sahoo 等人的新方法相比于过去的方法,为过渡金属硫族化合物为基础的多结横向异质结构的连续生长提了供更大的灵活性和控制性。这些发现可以扩展到其它二维材料家族,为复杂和原子级的超平面超晶格、器件和集成电路的发展奠定基础。(Nature DOI: 10.1038/nature25155)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

6. 具有极高的体积比容量和面积比容量的稳定且导电的二维金属有机框架

(Robust and conductive two-dimensional metal−organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance)

材料名称:金属有机框架

研究团队:斯坦福大学鲍哲楠课题组

对于小型化的电容式储能器而言,由于器件体积和芯片面积的限制,导致相较于质量比容量来说,体积比容量和面积比容量对于器件更重要。通常用于商业超级电容器中的多孔碳虽然具有稳定可靠的性能,但由于其本身密度低且容量中等而缺乏体积性能。Feng 等人报导了基于导电六氨基苯(HAB)衍生的二维金属有机框架(MOF)的高性能电极。除了具有高填充密度和分层多孔结构之外,这些 MOF 在酸性和碱性水溶液中也表现出优异的化学稳定性,这与传统 MOF 形成了鲜明对比。HAB MOF 的亚毫米厚颗粒表现出了高达 760 F•cm-3 的高体积比容量和 20 F•cm-2 以上的高面积比容量。此外,HAB MOF 电极还表现出高度可逆的氧化还原特性和良好的循环稳定性,在经过 12,000次循环后容量保持率为 90%。这些良好的结果表明了在储能应用中使用氧化还原活性导电 MOF 的潜力。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0044-5)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

7. 合成低聚轮烷在机械负载下折叠时施放很大的作用力

(Synthetic oligorotaxanes exert high forces when folding under mechanical load)

材料名称:合成的低聚轮烷(oligorotaxane)

研究团队:比利时列日大学Duwez课题组

折叠是一个无处不在的过程,大自然用来控制其分子机器的构象,使它们能够执行化学和机械任务。多年来,化学家已经合成了多种非天然折叠体,它们采用定义明确和稳定的折叠结构,模仿自然系统表达的控制。机械互锁分子,如轮烷和索烃,是原型分子机器,使其它组成部分受控移动和定位。最近,结合这两类分子的精巧复杂性,已经合成了供体-受体低聚轮烷非天然折叠体,其中机械互锁组分部分之间的相互作用决定了单分子组装成的折叠二级结构。Sluysmans 等人报导了这些分子的机械化学性质。利用基于原子力显微镜的单分子力谱对低聚轮烷进行机械展开,由低聚哑铃状由 1,5-二氧萘单元和环绕的 cyclobis 环(百草枯对亚苯基)包围组成。实时获取展开状态和折叠状态之间的波动可以发现,分子对高达 150 pN 的机械负载施加了高达 50 pN 的力,并显示出了小于 10μs 的迁移时长。虽然折叠速度至少与蛋白质中观察到的折叠速度一样快,但由于机械互锁结构,所以这样的折叠非常稳健。这一研究结果表明,合成低聚轮烷有可能超过天然折叠蛋白的性能。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0033-7)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

8. 基于钻石中氮晶格空位中心的测磁法来探测凝聚态物理

(Probing condensed matter physics with magnetometry based on nitrogen-vacancy centres in diamond)

由自旋和电流产生的磁场为相关电子材料和器件的物理学提供了一个独特的窗口。于十年前首次被提出的,基于金刚石中氮空位(NV)缺陷的电子自旋测磁法正逐步成为一个非常适合探测凝聚态体系的平台;这种方法可以从低温到高于室温的温度范围进行,具有跨越直流电到千兆赫的动态范围,并且允许传感器采样距离小至几纳米。因此,NV 磁力测量提供了纳米级空间分辨率的静态和动态磁场以及电子现象。开创性的工作集中在纳米级成像分辨率和磁场灵敏度的原理证明。现在,实验开始探索磁体和超导体的相关电子物理学,并探索低维材料中的电流分布。Casola 等人讨论了 NV 磁力测量法在凝聚态物理学研究中的应用,重点研究了它用于研究静态和动态磁性结构以及静态和动态电流分布。(Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2017.88)

《自然》《科学》一周(1.1-1.7)材料科学前沿要闻

新材料在线服务号可查看以下内容:

▶《自然》《科学》一周(12.18-12.24)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(12.11-12.17)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(12.4-12.10)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(11.27-12.3)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(11.20-11.26)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(11.13-11.19)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(11.6-11.12)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(10.30-11.5)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(10.23-10.29)材料科学要闻

▶《自然》《科学》一周(10.15-10.22)材料科学要闻

你可能还喜欢

发表评论

您的电子邮件地址将不会发布。

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据