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《自然》《科學》一周(5.7-5.13)材料科學前沿要聞
發布:lee_9124   時間:2018/5/16 10:39:29   閱讀:1093 
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1. 能夠自我報告和自我調節的液晶

(Self-reporting and self-regulating liquid crystals)

材料名稱:液晶

研究團隊:美國威斯康星大學麥迪遜分校Abbott研究組
 
液晶(LC)是各向異性流體,它結合了晶體的長程有序性與液體的流動性。其具有的這些特性已被組合廣泛用于創造能夠以光學方式報告其環境信息的可重構材料,例如電場變化(智能手機顯示)、溫度變化(溫度計)或機械剪切變化以及化學和生物刺激(傳感器)等。但對于響應性材料卻仍存在尚未滿足的需求,這些材料不僅需要傳達其環境信息,而且還需要通過自我調節的化學相互作用轉化環境。Kim 等人展示了一系列可以觸發脈沖(瞬態)或連續釋放初始時 LC 內的微型貨物(含水微滴或固體微粒及其化學內容物)的刺激。由此液晶材料能夠對目標物理、化學和生物事件以化學響應的方式進行自我報告和自我調節,具體響應方式可通過對不同幾何形狀(如井,膜和乳滴)中的彈性、電雙層、浮力和剪切力的相互作用等進行預編程來實現。這些 LC 材料具有超出用于受控微載體釋放的常規材料的能力,可以執行復雜的功能,例如以光學形式對刺激(例如由運動細菌產生的機械剪切應力)進行報告,然后通過反饋回路以自我調節的方式響應(例如,釋放引起細菌細胞死亡所需的最小量的殺生劑)。(Nature  DOI: 10.1038/s41586-018-0098-y)   

2. 水蒸汽促進合金氧化的原子起因

(Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation)

材料名稱:鎳鉻合金

研究團隊:美國太平洋西北國家實驗室Chongmin Wang研究組  
 
對于蒸汽發生器、渦輪發動機、燃料電池、催化劑和腐蝕等許多材料應用來說,或有意或無法避免的水蒸氣的存在,都是非常重要的?,F象學上,人們已經注意到水蒸氣會加速金屬和合金的氧化。但這種氧化背后的原子機制卻仍未可知。Luo 等人通過直接原位原子尺度透射電子顯微鏡觀察和密度泛函理論計算,揭示了鎳鉻合金的水蒸汽增強氧化與質子溶解促進的陽離子和陰離子空位的形成、遷移和聚集有關。水解離產生的質子可以占據氧化物晶格中的間隙位置,從而降低空位形成能并降低陽離子和陰離子的擴散勢壘,這便會導致溫度升高的潮濕環境中的氧化增強。這項工作為水蒸汽增強合金氧化提供了新的見解,并且對涉及水蒸氣的其他材料和化學過程(例如腐蝕、非均相催化和離子傳導)具有重大影響。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0078-5)
 

3.利用圖案化介電超晶格的 2D 材料的能帶結構工程

(Band structure engineering of 2D materials using patterned dielectric superlattices)

材料名稱:石墨烯

研究團隊:美國哥倫比亞大學Dean研究組

利用外部電場處理二維材料中電子為綜合能帶工程提供了一條途徑。通過施加人工設計的空間周期性超晶格電位,電子性質可以進一步被改變,能夠超出自然發生的原子晶體的限制。Forsythe 等人報導了一種新方法,即通過將表面電介質圖案化并與原子級薄的范德華材料集成來制造高遷移率超晶格器件。他們通過分離器件組裝和超晶格制造工藝,解決了在傳統系統中限制超晶格工程的器件處理和遷移率降低之間棘手的折衷問題。原子級超薄材料的改進靜電學,使相較先前示例的波長還要小的超晶格圖案成為了可能。此外,Forsythe 等人觀察到了具有低于 40nm 波長超晶格的彈道石墨烯器件中復制狄拉克錐的形成,并報導了來自具有人工設計晶格對稱性的超晶格在大磁場下的分形霍夫斯塔特譜,其中所述晶格對稱性不同于主晶體。這一研究結果為石墨烯和相關范德華力材料的能帶結構工程建立了一個具有動態可調性的穩定且多樣的技術。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0138-7)


4. 甲烷在金屬有機骨架中的催化化學選擇性官能化

(Catalytic chemoselective functionalization of methane in a metal−organic framework)

材料名稱:金屬有機骨架化合物

研究團隊:美國西北大學Farha研究組
 
甲烷是天然氣儲量中最大的構成部分,是用于合成高附加值化學品和燃料的低成本大儲量原材料。因甲烷的固有活性較低,因此其選擇性催化功能化是化學科學中的一個重要目標。氧硼化最近成為實現甲烷催化功能化的一個很有前景的途徑。在這方面的一個主要挑戰是對單甲基化產物(其比甲烷更具活性并且容易導致過度官能化)的選擇性硼酸化。Zhang 等人報導了一種高度選擇性的微孔金屬有機骨架為載體的,甲烷氧硼化的銥催化劑,其對單氧硼化甲烷具有超過 99% 的化學選擇性(單的相對于雙的產率為 19.5%,轉化數為 67),其中雙(頻那醇硼烷)作為十二烷中的硼化試劑,反應在 150℃ 和 34atm 的甲烷中進行。其中產物單氧硼化的這一傾向歸因于金屬-有機骨架孔結構的形狀選擇性作用。(Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0069-6)  



5. 通過靜電摻雜控制 2D CrI3 中的磁性

(Controlling magnetism in 2D CrI3 by electrostatic doping)

材料名稱:二維CrI3-石墨烯異質結

研究團隊:美國康奈爾大學Jie Shan研究組
 
二維材料所具有的原子厚度為控制其電學和光學性質以及通過靜電摻雜驅動電子相變提供了獨特的機會。二維磁性材料的發現為磁性的電控制和新功能器件的實現開啟了新的前景。最近基于線性磁電效應的實驗證實了能夠通過電場控制雙層 CrI3 中的磁序。但這種方法僅限于在反鐵磁體-鐵磁體轉變附近磁偏置的非中心對稱材料。Jiang 等人展示了利用 CrI3-石墨烯垂直異質結構來進行靜電摻雜從而控制單層和雙層 CrI3 的磁性。在單層 CrI3 中,摻雜顯著改變了飽和磁化強度、矯頑力和居里溫度,并表現出隨著空穴/電子摻雜而增強/減弱的磁序。值得注意的是,在沒有磁場的情況下,雙層 CrI3 中 ?2.5×1013·cm-2 以上的電子摻雜會導致從反鐵磁基態轉變為鐵磁基態。研究結果揭示了一種與摻雜強相關的層間交換耦合,其能通過很小的柵極電壓實現雙層 CrI3 中磁化的穩定轉換。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0135-x) 
 
 
6. 直接從空氣中捕獲二氧化碳

(Direct air capture of CO2 via aqueous-phase absorption and crystalline-phase release using concentrated solar power)

材料名稱:碳酸鹽晶體

研究團隊:美國橡樹嶺國家實驗室Custelcean研究組
 
利用負排放技術凈化大氣中的溫室氣體為限制全球氣溫上升提供了一條途徑。直接空氣捕獲二氧化碳的方式為永久降低大氣中二氧化碳濃度提供了良好的前景,若能提供經濟和節能的技術便可以大規模開發和部署。Brethomé 等人報導了一種主要利用現成的材料和設備的實驗室規模直接空氣采集的方法。首先,利用家用加濕器,通過現成的環保氨基酸水溶液(甘氨酸和肌氨酸)便可以實現 CO2 吸收。然后含有 CO2 的溶液與簡單的胍化合物(是非常難溶的碳酸鹽結晶)反應,并再生出氨基酸吸附劑。最后,通過使用聚集的太陽能相對溫和地加熱碳酸鹽晶體,可以實現高效的 CO2 釋放和接近定量的胍化合物再生。(Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-018-0150-z)
 

7. 從鐵礦石赤鐵礦中剝離非范德華材料

(Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite)

材料名稱:二維材料 hematene (赤鐵烯)

研究團隊:美國萊斯大學Ajayan研究組
 
作為二維材料中被研究得最多的石墨烯,隨著它的出現,已經有許多無機的類似物被合成出來并正在被開發用于新的應用。已經有多種方法可以用來來獲得大顆粒、高質量的材料。例如,天然存在的礦石是通過剝落方法獲得高度有序和大顆粒原子層的最佳前體。Balan 等人展示了一種新的二維材料 hematene (赤鐵烯),它由通過液體剝離分離出的天然鐵礦赤鐵礦(α-Fe2O3)獲得。透射電子顯微鏡確認了 hematene 的二維形態。磁性測量與密度泛函理論計算綜合確認了 hematene 中的鐵磁有序,而相對的其母體形式則呈現反鐵磁有序。當負載在二氧化鈦納米管陣列上時,hematene 表現出了增強的可見光光催化活性。這一研究表明盡管能帶排列不利于電荷轉移,但光生電子仍可以從 hematene 轉移到二氧化鈦。(Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0134-y)   
 
 
8. 二維鈮-碳化物載體鉑催化劑在中等溫度下的反應性金屬-載體相互作用

(Reactive metal–support interactions at moderate temperature in two-dimensional niobium-carbidesupported platinum catalysts)

材料名稱:鈮-碳化物載體鉑催化劑

研究團隊:美國愛荷華州立大學yue Wu研究組
 
反應性金屬-載體相互作用(RMSI)提供了可用于調節催化活性位點的電子、幾何和組分效應。一般來說,氧化物以外的載體不被視作 RMSI 的候選。Li 等人報導了鉑和 Nb2CTx MXene(一種最近開發出的二維金屬碳化物)之間非基于氧化物的 RMSI 的例子??梢詼p少二維碳化物的表面官能團,并在中等溫度(350℃)下形成 Pt-Nb 表面合金。這種合金表現出的 CO 吸附比單金屬鉑還要弱。水煤氣變換反應動力學顯示,與非還原性載體或塊狀碳化鈮相比,RMSI 能夠穩定納米顆粒并形成具有更高 H2O 活化能力的合金-MXene 界面。鉑和鈮-MXene 載體之間的 RMSI 可以延伸到 MXene 系列的其他成員,并為設計和操作功能性雙金屬催化劑開辟了新的途徑。(Nature Catalysis  DOI: 10.1038/s41929-018-0067-8)   



來源:新材料在線
 
 
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