Science/Nature盘点: 十一月材料领域重大进展

1、Science：双层石墨烯中的可调激子

美国康奈尔大学的Paul L. McEuen、加州大学伯克利分校的王枫副教授以及哥伦比亚大学的James Hone（共同通讯作者）等人在氮化硼中包覆高质量BLG，利用其光电流谱学观察到了BLG中显著的激子共振现象。这一现象具有窄线宽的特点，其从中红外到太赫兹范围均是可调的。这些激子所遵循的光学选择规则与传统半导体的激子截然不同，其电子赝自旋绕组数达到2。不仅如此，外磁场作用还可引发能谷-激子的分裂，其g因子可达20左右。这些现象的发现为探索电学可调石墨烯系统的激子物理学提供了功能性。

文献链接：Tunable excitons in bilayer graphene（Science, 2017, DOI: 10.1126/science. aam9175）

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2、Science：可扭曲三维机械超材料

德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Wegener（通讯作者）等人报道了微结构化的三维弹性手性机械超材料，克服了超材料扭曲严格为零的局限性。通过对柯西弹性力学理论的研究，设计，制造，表征和映射到微极有效介质参数三维手性微结构的机械超材料，扭曲自由度在质量上超越了柯西弹性。在静态情况下，波长在理论上是无限大的，因此样本大小L与单元格大小的比例是重要的。研究发现在所有毫米级的样品上，测量的每个轴应变扭曲都超过2°/％。Martin等人设计的机械超材料在受外力时左右两侧显著扭曲，指出了开发具有不寻常变形行为材料的更一般的策略。

文献链接：Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist（Science，2017，DOI:10.1126/science.aao4640 ）

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3、Science：降低晶体形核随机性以获得亚纳秒级数据存储速度

中科院上海微系统与信息技术研究所饶峰副研究员和西安交通大学的张伟教授（共同通讯作者）等人通过材料计算设计的方法来调控相变材料的晶核形成速率，合成新型相变材料钪锑碲(ScSbTe)，大幅降低形核时间，达到超高速的写入速度，仅为0.7纳秒。同时钪锑碲器件的操作功耗相比于传统锗锑碲器件降低了近90%。通过材料计算，研究人员清晰地揭示了钪锑碲超快结晶化以及超低功耗的微观机理。

文献链接：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing (Science，2017，DOI:10.1126/science.aao3212 )

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4、Science：单金属层中的高速等离子体调制器

苏黎世联邦理工学院Masafumi Ayata和Juerg Leuthold（共同通讯作者）报道了一种速度达116千兆比特每秒的全等离子体电光调制器，包含了垂直光栅耦合器、分配器、偏振旋转器、移相器等所有元素，均集成在单层金属层中。该器件可以基于多种光滑衬底表面，且运行耗能低，因此等离子体器件可应用在超集成、高速且低成本科技中，在传感和通信领域将应用广泛。

文献链接：High-speed plasmonic modulator in a single metal layer（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan5953）

5、Science：任意几何形状拓扑空腔中实现非互易激光振荡

加州大学圣地亚哥分校Boubacar Kanté（通讯作者）等人报道了一种在通信波段工作，不受几何形状影响，集成非互易拓扑腔的新型激光器，从单向光子带隙边缘态受激辐射耦合到特定的波导输出，其间隔超过10dB。非互易性源于在光子结构和特定拓扑不变量间边界的单向边缘态。研究结果为开发任意形状的复杂拓扑电路开辟了新道路。

文献链接：Nonreciprocal lasing in topological cavities of arbitrary geometries（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aao4551）

6、Science：飞秒激光重塑制备具有超窄表面等离子体共振的金纳米棒

马德里理工大学Andrés Guerrero-Martínez、Ovidio Peña-Rodríguez及CIC biomaGUNE的Luis M. Liz-Marzán（共同通讯作者）利用飞秒激光对金纳米棒进行重塑，得到具有超窄局域化表面的等离子体共振带。利用此方法可实现纳米棒表面活性剂的表面密度和辐射影响间的精准平衡，因为低冷却速率可产生剧烈的形态变化。研究结果为实现具有光学响应、接近理论极限的高品质金纳米棒提供了一个简单、快速、可重复操作的方法。

文献链接：Femtosecond laser reshaping yields gold nanorods with ultranarrow surface plasmon resonances（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan8478）

7、Science：将甲烷直接转化为氢气和可分离碳的催化熔融金属

加州大学圣巴巴拉分校Horia Metiu和Eric W. McFarland（共同通讯作者）等人制备了27%Ni-73%Bi合金，可在1065℃条件下催化甲烷热解反应，同时无CO2等无副产物生成，转化率高达95%。并通过计算，表明此熔融催化体系中活性金属为原子级分散带负电，催化反应生成的碳会上浮并可被移除，避免了固态催化剂由于产物碳沉积而失效的问题。

文献链接：Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aao5023）

8、Nature：六边形冰晶或非最稳定结构

美国犹他大学Valeria Molinero（通讯作者）等人基于mW水模型（“冰中的热动力学堆叠层错”方法）利用取样和自由能计算证实了当晶体尺寸增加至100000个分子以上时，立方和六边冰层的混合熵使得无序堆叠的冰成为更稳定的相。230K时，无序堆叠的晶粒较六边晶粒要稳定14 KJ/mol，成核速率也较基于传统成核理论要快至少3个数量级。成核速率受温度影响，这在全球气候变暖的条件下影响下尤为显著，也可能会影响到云的形成以及冰颗粒数量的模型。因此作者认为当从实验条件转变为云中发生的温度时，要分析外推冰的成核速率，传统的成核理论需要进行修正，应考虑冰晶尺寸对结晶的驱动力的影响。

文献链接：Role of stacking disorder in ice nucleation（Nature，2017，Doi:10.1038/nature24279）

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9、Nature：颗粒材料流变行为类同于复杂流体

上海交通大学王宇杰教授和蒙彼利埃大学Walter Kob（共同通讯作者）等人利用X射线断层摄影成像技术对准静态循环剪切的三维颗粒系统的微观动力学进行研究，证实了颗粒的微尺度弛豫动力学遵从一个振荡剪切的规律，发现颗粒的分布和位移可由Gumbel定律描述，导致一般意义上认为的颗粒固体，其实是一种处在液固边界的临界相，在外部微扰下就会流化，更类似于复杂流体。

文献链接：Granular materials flow like complex fluids（Nature，2017，Doi:10.1038/nature24062）

10、Nature：原子级Rh分散催化剂催化甲烷氧化

塔夫斯大学Maria Flytzani-Stephanopoulos（通讯作者）等人利用浸渍法，制备了一种原子级分散的单核Rh/Zeolite，Rh/TiO₂催化剂，在温和条件下使用氧气和一氧化碳，可直接催化甲烷氧化为甲醇和乙酸。两种产物为相互独立的不同反应路径，通过催化条件的改变，可对产物选择性进行调控。这为甲醇直接氧提供了新的高活性催化剂，并为进一步优化催化剂和实际应用起到指导作用。

文献链接：Mild oxidation of methane to methanol or acetic acid on supported isolated rhodium catalysts（Nature，2017，Doi:10.1038/nature24640）

11、Nature：非活化三级 C-H 键的位点和立体选择性官能化

埃默里大学Huw M. L. Davies（通讯作者）等人报道一种具有不同反应性的双铑催化剂，这种新型催化剂能够在最易接近的三级 C-H 键上精确选择位点而不是二级C-H键。利用该催化剂，可以修饰一些天然产物，包括固醇、维E等。表明这种方法适用于复杂分子的后期功能化，通过选择合适的催化剂可以实现不同位点的选择性调控。扩大复杂催化剂的设计，可以进一步应用在 C-H 键功能化的调控和复杂分子的合成。

文献链接：Site-selective and stereoselective functionalization of non-activated tertiary C–H bonds（Nature，2017，Doi：10.1038/nature24641）

本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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