2017年终盘点: 中国学者Nature成果！

新的一年将至，材料牛为您精选2017年以来材料领域中，中国学者（通讯单位为国内机构）发表在顶级期刊Nature上的优秀工作。

这是对2017年的一个总结，也是对新一年的勉励！

1、北大张锦：精致设计的催化剂助力单壁碳纳米管可控手性生长

北京大学张锦教授（通讯作者）在Nature上发表了一篇题为“Arrays of horizontal carbon nanotubes of controlled chirality grown using designed catalysts”的文章，文中报道了张锦教授研究团队关于单壁碳纳米管（SWNTs）生长的最新研究成果。该研究团队通过控制活性催化剂表面对称性来控制水平SWNT阵列的手性，并在固态碳化物催化剂表面生长获得了具有受控手性的水平SWNT阵列。所获得的水平排列金属SWNT阵列平均密度大于20管/微米，其中90%的管具有(12,6)的手性指数。同时，还获得SWNT阵列半导体，其平均密度大于10管/微米，其中80%的纳米管具有(8,4)的手性指数。

文献链接：Arrays of horizontal carbon nanotubes of controlled chirality grown using designed catalysts（Nature，2017，DOI：10.1038/nature21051）

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2、北大马丁：首次利用Pt/α-MoC催化剂实现低温甲醇/水反应产氢

北京大学马丁与中国科学院大学周武、山西煤化所/中科合成油温晓东以及大连理工大学石川研究团队于Nature上发表一篇题为“Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts”的文章。该科研团队研制了双功能Pt/MoC甲醇液相重整制氢复合催化剂体系，利用程序升温渗碳工艺将甲烷和氢气同各种前驱体混合在一起，制成多种铂改性的碳化钼催化剂。经过材料的表征分析发现，与β-Mo₂C相比，α-MoC和铂的相互作用更加强烈，使得高温活化过程中铂在α-MoC表面处于一种原子级分散态，产生一个极高密度的电子-缺陷表面Pt位点，且该位点能用于吸附/活化甲醇。同时，α-MoC表现出极高的水解离活性，在反应过程中产生丰富的表面羟基，加速铂与α-MoC界面处反应中间体的重整。在这些因素的共同作用下，最终所制成的Pt/α-MoC催化剂具有平均转化频率(ATOF)为18046 h^-1的催化效率，在低温(150 ℃-190 ℃)无碱甲醇液相重整过程中也具有很好的稳定性。

文献链接：Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts（Nature，2017，DOI：10.1038/nature21672）

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3、香港城市大学吕坚：双相纳米结构铸就史上最强镁合金

法国国家科技科学院院士、香港城市大学副校长吕坚（通讯作者）研究团队于Nature上发表一篇题为“Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys”的文章。该科研团队研制了双相纳米晶结构的镁合金材料，通过磁控溅射法将直径约6 nm的MgCu₂晶粒均匀地嵌入约2 nm厚的富含镁的无定形壳中，生产获得具有非晶/纳米晶双相结构的镁基超纳尺寸双相玻璃晶（SNDP-GC）。该双相材料结合并加强了纳米晶材料与非晶纳米材料的优势，在室温下表现出接近理想的强度，并且解决了样品尺寸效应问题。研究团队所制成的镁合金体系是由埋在无定型玻璃壳中的纳米晶核组成，所得双相材料的强度是近乎理想的3.3 GPa，这也是迄今为止强度最大的镁合金薄膜。同时，研究者提出了一种由本构模型组成的强度增强机制，在材料制备过程中形成了一个由直径约6 nm且几乎无位错的晶粒组成的结晶相，当应变发生时该结晶相阻止了局部剪切带的移动传播，在任何已出现的剪切带内，嵌入的晶粒分裂和旋转，也有利于材料强化和抵抗剪切带的软化效果。

文献链接：Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys（Nature，2017，DOI：10.1038/nature21691）

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4、北科大吕昭平：最低晶格错配与高密度纳米析出相联手打造超强钢！

北京科技大学吕昭平教授课题组于Nature上发表一篇题为“Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation”的文章，通过创新超高强度钢的合金设计理念，发展了超强韧的高密度有序Ni(Al, Fe)纳米颗粒强化高性能新型马氏体时效钢，其中抗拉强度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8% 。新型超高强韧钢的强化主要是基于最低错配度下获得最大程度弥散析出和高剪切应力的创新思想，即一方面通过“点阵错配度最小化”，显著降低金属间化合物颗粒析出的形核势垒，促进颗粒均匀弥散分布，并显著提高强化颗粒的体积密度和热稳定性，低错配度共格界面结合小尺度有效缓解增强颗粒周边微观弹性畸变，改善材料宏观均匀塑性变形能力；另一方面，引入“有序效应”作为主要强化机制，有效阻碍位错对增强相颗粒的切过作用，从而获得优异综合性能的新型马氏体时效钢。除此之外，新型超强韧马氏体时效钢通过采用Al元素代替传统马氏体时效钢中昂贵的合金元素，可添加传统马氏体时效钢所避免的C元素，初步实现了高端钢铁材料的制备工艺简化和低成本的目标，不但有力地推动该类材料的实际工程应用，同时为新型超高强度材料的发展打开了新的研究思路

文献链接：Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22032）

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5、清华大学于浦&吴健：首次实现电场诱导下的双离子调控可逆结构三相相变

清华大学于浦副教授和吴健教授（共同通讯作者）于Nature上发表了题为“Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch”的研究论文，首次报道了在电场下，双离子调控的可逆且非易失性的结构相变。通过控制O²⁺和H⁺离子相互独立的嵌入和脱出，可实现在三个不同材料相间的可逆转变：钙钛矿型的SrCoO_3-δ、钙铁石型的SrCoO_2.5和新结构的HSrCoO_2.5。研究这三种不同相的光学吸收性质，发现通过选择性的控制可见光和红外光的透过率，可产生双频段的电致变色效应，从而可应用于智能玻璃中。同时，三种相相互截然不同的电和磁特性使得能实现电场调控的磁性转变。这为电场调控材料结构相转变和相应的性能打开新的研究途径。同期，美国普渡大学的Shriram Ramanathan教授为该成果撰写了题为“Condensed-matter physics: Functional materials at the flick of a switch”的新闻评述（Nature，2017，DOI：10.1038/546040a）。

文献链接：Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22389）

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清华大学于浦团队Nature：在电场诱导下的双离子调控可逆结构相变研究中取得突破性进展

6、中科院物理所：首次观测到三重简并费米子

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的丁洪研究员、钱天副研究员和石友国研究员（共同通讯作者）在Nature上发表了题为“Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide”的文章。并列第一作者为中科院物理所博士生吕佰晴（实验观测）、冯子力（样品制备）、许秋楠（理论计算）。该团队取得了凝聚态物理领域的重大突破，利用角分辨光电子能谱（ARPES）在拓扑半金属磷化钼材料中观察到了一种非常规的三重简并费米子，打破了传统的Dirac-Weyl-Majorana分类和进行核心级别的光电子测量，以确认MoP的化学成分及电子结构，在（100）和（001）表面上进行系统的ARPES测量。相比之下，使用软X射线获得的数据清楚地表现出两个切割表面上的带分散和费米面。不仅大大提高了ARPES测量的体积灵敏度，而且还增加了垂直于表面的内在动量分辨率，促进MoP等三维系统的电子结构的提取。

文献链接：Observation of three-componen fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22390）

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7、上海交大王宇杰：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）

8、中科院应用物理所&上海大学&南京工业大学：氧化石墨烯膜通过阳离子控制层间距实现离子筛分

中国科学院上海应用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队（共同通讯）等人使用K ⁺，Na⁺，Ca²⁺，Li⁺或Mg²⁺离子显示了利用阳离子控制层间距精确订装氧化石墨烯膜，表现出优异的离子筛分和海水淡化性能。此外，由一种类型阳离子控制的膜间距可以有效地选择性地排除具有较大水合体积的其它阳离子。第一性原理计算和紫外吸收光谱表明，最稳定的阳离子吸附位置是氧化物基团和芳环共存的地方。密度泛函理论计算表明，与Na⁺相比，其他阳离子应该具有比石墨烯片更强的阳离子-π相互作用。

文献链接：Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing（Nature，2017，DOI:doi:10.1038/nature24044）

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9、中科院金属所卢磊：与疲劳历史无关的纳米孪晶金属循环响应

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢磊研究员和美国布朗大学高华健教授（共同通讯）等人通过在低于金属拉伸强度的应力幅值下的原子模拟和拉-压变幅应变控制疲劳实验，报道了含有高度取向的纳米孪晶块体纯铜样品中与疲劳历史无关的稳定循环响应。实验证明这种不寻常的循环行为是由相邻的“项链”位错引起的，这种错位由孪晶中多个短的位错构成，如项链的连接。这种位错在循环载荷作用下在高度取向的纳米孪晶结构中形成，并且有助于保持双边界的稳定性和可逆损伤，条件是纳米孪晶在加载轴线的约15度内倾斜。这种循环变形机制与单晶，粗粒，超细晶粒和纳米金属晶粒中不可逆显微结构损伤相关的常规变形机制是截然不同的。

文献链接：History-independent cyclic response of nanotwinned metals（Nature，2017，DOI:10.1038/nature24266 ）

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10、上海交大韩礼元&杨旭东: 无溶剂非真空制备大面积钙钛矿太阳能电池薄膜

上海交通大学韩礼元教授和杨旭东特别研究员（共同通讯）等人研发出一种无溶剂、非真空的新沉积方案用于甲基铵卤化铅钙钛矿薄膜的大规模制备。它依赖于胺络合物前体到钙钛矿膜的快速转化，并随后施加压力。使用这种方式沉积的钙钛矿薄膜没有针孔而且高度均匀。更重要的是，新的沉积方法可以在低温环境中进行，更有利于大面积钙钛矿装置的制造。

文献链接：A solvent- and vacuum-free route to large-area perovskite films for efficient solar modules（Nature，2017，DOI:10.1038/nature23877 ）

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11、武汉理工张清杰：超顺磁增强材料热电性能！

武汉理工大学张清杰教授和华盛顿大学杨继辉教授（共同通讯作者）等人报道通过将软磁性材料嵌入热电材料基底中，实现对声子和电子传输特性的双向调控。纳米颗粒的性质，尤其是超顺磁性（纳米颗粒可在外加磁场下犹如顺磁体可被磁化）导致了三种热电磁效应：电荷从磁性嵌入物传输至基底；通过超顺磁波动实现电子的多重散射；磁波动和自身的纳米结构增加了声子散射。研究表明这些效应可在纳米和介观尺度上有效调控电子和声子传输，从而提高纳米复合物的热电性。

文献链接：Superparamagnetic enhancement of thermoelectric performance（Nature，2017，Doi: 10.1038/nature23667）

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12、南京理工大学陆明&王鹏程：系列水合五唑金属盐含能化合物的合成

南京理工大学陆明教授和王鹏程副教授（共同通讯作者）报道了全氮五唑阴离子的钠、锰、铁、钴和镁盐水合五唑金属盐含能化合物（[Na(H₂O)(N₅)]·2H2O, [M(H₂O)₄(N₅)₂]·4H₂O (M = Mn, Fe and Co) 和[Mg(H₂O)₆(N₅)₂]·4H₂O）的合成及表征，揭示了其中N₅^-阴离子与金属阳离子的配位方式、与水的氢键作用，以及热稳定性规律。除了Co化合物以外，其他含能化合物都表现出很好的热稳定性，初始分解温度均高于100℃，这为进一步开发高氮含能材料提供了实验依据。

文献链接：A series of energetic metal pentazolate hydrates（Nature，2017，Doi: 10.1038/nature23662）

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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