《自然》《科学》一周（2.27-3.5）材料科学前沿要闻

《自然》《科学》一周（2.27-3.5）材料科学前沿要闻...





1.胶体合金

（Colloidalalloys with preassembled clusters and spheres）

自组装是构建胶态晶体强有力的方法，主要因为球体、棒状体或多面微粒可以建立起无数的结构。但是，许多复杂或低配位结构，例如金刚石、烧绿石和其它一些晶格不能进行自组装。Ducrot等人介绍了一种新的基于所需超结构的预组装组件和程序化最邻近DNA调节相互作用的设计原则，从而能够形成其它情况无法实现的结构。他们使用预组装的胶体四面体和球体，获得了包括没有已知对应原子类似物的立方和四方胶体晶体和以前从未组装过的渗透型低配位金刚石和烧绿石亚晶格。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4869）2. 模拟纳米织构的抗雾能力

（Antifogging abilities of modelnanotextures）



具有特殊形状的纳米尺度特征赋予了昆虫表面广泛的独特性质。这些性质对于动物的生存来说必不可少，例如：蛾眼的低光反射率、弹尾虫甲壳的防油性和棕榈树虫的超粘性。抗反射蚊眼和蝉翅也已知具有一些防雾和自清洁的性能。在所有这些情况下，小特征尺寸与最佳形状的组合提供了优异的表面性质。Mouterde 等人利用模仿自然系统的模型材料研究了防雾机制，并指出纹理的特征大小和形状的重要性。虽然暴露在雾中大大地减损了疏水结构的疏水性，但通过将结构缩放至纳米尺寸可以将这种失效最小化。如果疏水性表面由纳米锥组成，将产生接近1 的雾化效率，并且小于 2μm 的水滴将会脱离，原本的减损效果甚至可以变得小到无法测量。（NatureMaterials DOI: 10.1038/NMAT4868）

3.超硬度和韧性的水凝胶

（Enzymatic mineralization generatesultrastiff and tough hydrogels with tunable mechanics）动物的软骨和皮肤由超过百分之五十的水组成，却是相当坚硬（具有高达 100 兆帕的弹性模量）、坚韧并且很难断裂（断裂能量高达9000 焦耳/平方米）。这些特征使得这些生物材料在物理上优于现有的合成水凝胶。最近，在合成强韧水凝胶方面取得了很多进展，双网水凝胶实现了皮肤似的韧性，并且无机-有机复合材料显示出更好的性能。

然而，这些材料由于其具有的韧性而具有很高的拉伸性;在刚度方面，合成水凝胶无法与它们的天然对应物竞争，最好的实例仅具有10 兆帕甚至更小的弹性模量。Rauner 等人曾描述了含有碳酸钙的水凝胶的酶诱导沉淀与结晶，但所得的材料是脆性的。这次他们报导了酶诱导形成非晶磷酸钙纳米结构，均匀分布于聚合物水凝胶中。其中最好的材料即使在它们的完全水溶胀状态下也具有每平方米 1300 焦耳的断裂能，该值优于大多数已知的水溶胀合成材料。他们还能够调整其刚度高达440 兆帕，远远超过软骨和皮肤。（Nature DOI: 10.1038/nature21392）

4.电解液添加剂实现锂金属电池的快速充电和稳定循环

（Electrolyte additiveenabled fast charging and stable cycling lithium metal batteries）使用锂（Li）金属作为阳极的电池，因为具有高能量密度而被认为是很有前景的能量存储系统。但是，与枝晶生长以及循环寿命有限（特别是在高充电电流密度情况下）相关的安全性问题阻碍了它们的实际应用。Zheng等人将LiPF6添加剂在 LiTFSI-LiBOB 双盐/碳酸盐溶剂基电解质中调节到最佳量（0.05M），显着增强了 Li 金属电池的充电能力和循环稳定性。这一最佳添加量使4V Li 离子阴极的 Li 金属电池在 1.75mAh·cm-2 的适度高负载下， 循环500 次之后仍具有 97.1％的容量保持率，并且在充放电电流密度高达 1.75mA·cm-2 下电极超电势的增加非常有限。快速充电和稳定循环性能归因于在Li 金属表面上产生的稳定且导电的固体电解质界面以及稳定的 Al 阴极集电器。（Nature Energy DOI: 10.1038/nenergy.2017.12）5. 三维有序富Li正电极β-Li2IrO3中阴离子氧化还原活性的证据

（Evidence foranionic redox activity in a tridimensional-ordered Li-rich positive electrodeβ-Li2IrO3）锂离子电池正极材料的选择一直是依赖于阳离子氧化还原反应，直到最近发现了富 Li 层状化合物中阴离子的氧化还原活性，使得容量高达300mAh·g-1。在寻求阴离子氧化还原的高容量电极方面，一直存在尚未解决的问题，那就是关于结构维度的重要性。

Pearce 等人报导了一种 β-Li2IrO3相，尽管在三维（3D）框架中排列的 Ir不像其他富Li 氧化物中看到的典型的二维（2D）层，但每个 lr 可以可逆地交换 2.5e-，在已报导的任何涉及d-金属的插入反应中为最高值。如此大的活性度来自可逆阳离子 （Mn+）和阴离子 (O2)n- 氧化还原过程的结合，后者通过透射电子显微镜和中子衍射实验可以观察到，并通过密度函数理论计算进行了确认。此外，在不显示出2D 层状富 Li材料中所见的阳离子迁移与剪切原子层的同时，β-Li2IrO3 呈现出了良好的循环特性。值得注意的是，在相对于Li+/LiO 低至 3.4V 的电位下，阴离子氧化还原过程连同Ir4+ 氧化共同发生，这与在层状α-Li2IrO3多晶体中观察到的相同。理论计算阐明了 3D 与 2D 多晶体在结构、电子和机械描述方面的电化学相似性与差异。Pearce 等人的发现解放了结构尺寸约束，并为下一代锂离子电池设计高能量密度电极提供了更多的可能性。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4864）6. 低带隙混合锡-铅碘化物钙钛矿吸收剂

（Low-bandgap mixedtin–lead iodide perovskite absorbers with long carrier lifetimes forall-perovskite tandem solar cells）



仅使用金属卤化物钙钛矿子电池的串联太阳能电池是下一代太阳能电池很有吸引力的选择之一。然而，高性能低带隙钙钛矿太阳能电池的缺乏，阻碍了开发高效全钙钛矿串联太阳能电池的进展。Zhao 等人报导了具有开路电压高达 0.85 V 、700-900 nm 的红外波长范围内外量子效率超过70％的高效混合锡-铅碘化物低带隙（〜1.25 eV）钙钛矿太阳能电池，提供了一个短路电流密度超过 29 mA·cm-2，并适用于全钙钛矿串联太阳能电池中的底层电池。该低带隙钙钛矿太阳能电池实现了17.6％ 的最大功率转换效率和17.01％的实证效率，并且电流-电压滞后可以忽略。当与带隙约1.58eV的钙钛矿顶端电池机械堆叠时，这种最好的全钙钛矿4端串联太阳能电池显示出21.0％的稳态效率。（Nature Energy DOI: 10.1038/nenergy.2017.18）7. 共价有机框架化合物

（The atom, the molecule, and the covalentorganic framework）



大约一个世纪以前，Lewis发表了关于共价键的开创性工作，自此共价键在制造有机分子的理论中一直扮演重要角色。随着共价有机框架化合物（COFs）的出现，共价键化学已经拓展到二维三维框架。Yaghi等人综述了利用共价键链接有机分子合成结晶的多孔轻元素（B，C，N，O和Si）COFs的发展。这些COFs的发现为框架化合物不丢失多孔性和结晶性以及达到期望的材料性质奠定了基础。（ScienceDOI：10.1126/science.aal1585）8. 高ORR活性亚纳米Pt合金纳米线

（Efficient oxygenreduction catalysis by subnanometer Pt alloy nanowires）



通常认为低于2nm的Pt和Pt合金纳米颗粒（NPs）不适合于氧还原反应（ORR）。但是，同样的趋势是否适用于Pt基的纳米线（NWs）和纳米片，仍有待解决，因为并没有可规模化的方法来制备这些Pt纳米结构。Jiang等人报导了一种制备直径仅4-5个原子层厚的Pt合金 NWs的通用方法，包括单金属的PtNWs、双金属的PtNi、PtCo NWs和三金属的PtNiCo NWs。与Pt合金NPs截然不同的是，亚纳米的Pt合金NWs表现出超常的质量和比活性（0.9Vvs. RHE时4.2A/mg和5.11 mA/cm2），比商用的Pt/C分别高出32.3和26.9倍。密度泛函理论模拟将这种高ORR活性归结于亚纳米Pt合金NWs上高密度（111）晶面活性位点。这些催化剂也表现出很好的稳定性，30000循环后几乎没有衰减。（Science Advance DOI：10.1126/sciadv.1601705）

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