Nature盘点: 7月材料领域重大进展

1、Nature: 拓扑量子化学理论为预测新材料点亮明灯！

普林斯顿大学B. Andrei Bernevig（通讯作者）等人提出了一套完整的电子带理论，基于电子的传统能带理论，重点提出拓扑学和局域化学键间的相互联系，名为拓扑量子化学理论。该理论对材料的概念、所有可能的能带结构的性质、可能有相互联系的材料以及动量空间和实空间的图解分析都进行了描述。对230种晶体空间群，由局域原子轨道引起的可能的能带结构都进行了分类，并指出哪一种具有拓扑特性。该电子能带理论将进一步揭示拓扑绝缘体，并可用于更多相关材料的预测。

文献链接：Topological quantum chemistry（Nature，2017，DOI:10.1038/nature23268）

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2、Nature: 铜氧超导体中轴对称性的自发破坏

布鲁克海文国家实验室的 I. Božović（通讯作者）等人研究了施加电流后，单晶La_2–xSr_xCuO₄ 薄膜的特性，发现正交于电流方向，样品产生了自发的电压。并取决于探针电流、温度、设备面内方向以及掺杂，表明此特性时为其本征固有属性，并且在很大温度和掺杂范围内都能表现。同时，若施加电流方向与平面呈φ角，电压则会以sin(2φ)变化，这时晶体的旋转对称性会破坏。

文献链接：Spontaneous breaking of rotational symmetry in copper oxide superconductors（Nature，2017，Doi:10.1038/nature23290）

3、Nature: 可见光催化CO₂制甲烷

法国巴黎第七大学Julien Bonin和Marc Robert（共同通讯）等人报道了在室温、常压可见光驱动下，铁基光催化剂可高效催化CO₂还原制甲烷。研究团队利用三甲基铵基团功能化的铁四苯基卟啉络合物用于将CO₂转化为CO。可见光照射下催化二氧化碳还原生产甲烷的八电子还原。研究表明：含有光敏剂和牺牲电子给体的乙腈溶液中，几天内催化体系可稳定的运行。

文献链接：Visible-light-driven methane formation from CO2 with a molecular iron catalyst（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23016）

4、Nature: 在单一芯片上实现计算与数据存储的三维集成！

斯坦福大学Max M. Shulaker（通讯作者）等人提出关于可变换型纳米系统新理念，所制备的芯片结构包括一百万多个电阻式随机存取存储器单元和两百万多个碳纳米管场效应晶体管，这是一种新型有发展前景的纳米技术，可应用在节能数字逻辑电路和密集数据存储上，并能将其制备成垂直堆放层放置于单一芯片上。与传统集成电路结构不同，这种分层式制备实现了在层间实现计算、数据存储、输入和输出（如传感）等功能的具微晶和密集垂直连通的三维集成电路结构。这种纳米系统可以在一秒内捕捉大量数据，并在单一芯片上直接存储，原位实现数据获得与信息的快速处理。同时，由于每层是制备在硅逻辑电路上，因此纳米系统能与硅基设备相适配。这种复杂的纳米电子系统对未来高性能以及高效节能的电子设备而言是必不可少的。

文献链接：Three-dimensional integration of nanotechnologies for computing and data storage on a single chip（Nature，2017，DOI: 10.1038/nature22994）

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5、Nature: 纳米晶体高温结晶成三维超晶格

美国SLAC国家加速器实验室Christopher J. Tassone和斯坦福大学Matteo Cargnello（共同通讯）等人报道了高温条件下的胶体合成期间，微米尺寸的面心立方三维纳米晶体超晶格的快速增长。同时，由于超晶格模板导致的晶格膨胀和精确纳米晶体尺寸控制，研究者利用原位小角度X射线散射观察了晶格内单个纳米晶体的连续生长过程。热力学模型表明：由纳米晶体表面覆盖的配体和纳米晶核尺寸引起的平衡相互作用力（包括吸引力和排斥力）是最终结晶的原因。另外，可以通过控制颗粒间的相互作用形成不同的超晶格结构，例如六方密堆积晶格。此外，各种纳米晶体系统合理组装成新型材料后不仅有助于基础研究，还有助于其进一步在磁学、电子学和催化领域的实际应用。

文献链接： High-temperature crystallization of nanocrystals into three-dimensional superlattices（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23308）

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6、Nature: 三国共同开发神经形态计算机

由法国，日本和美国三国成员组成的研究团队制备了一个纳米级的磁性设备，可模拟神经元的行为，并可用于识别人类的音频信号。巴黎萨克雷大学的Julie Grollier为通讯作者，该团队介绍了制备该设备的方法，该设备的工作原理以及它探测结果的准确性。Frank Hoppensteadt与库朗数学科学研究所提供了一个关于该团队工作的新闻与观点板块，并概述了神经形态（模拟大脑）计算机背后的理念以及它们是如何创建出来的。在这项新的研究中，研究人员建立了一个纳米尺度的神经形态计算机，其中400个神经元在计算机芯片上排列成阵列。神经元呈微小的三层柱形，即两个铁磁层中间夹一层非磁性隔绝物。连续电流在神经元的顶部引起直接磁化，二次电流使得磁化稳定地振荡。

文献链接：Neuromorphic computing with nanoscale spintroni c oscillators（Nature，2017，Doi:10.1038/nature23011）

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7、Nature: 纳米级X射线断层成像揭示三维磁结构

瑞士保罗谢勒研究所的Claire Donnelly和Manuel Guizar-Sicairos以及格拉斯哥大学的Sebastian Gliga（共同通讯作者）等人利用硬X射线矢量断层成像法对布洛赫点附近的三维磁结构进行成像，成功观察了直径8微米的软磁柱内部三维磁结构，包括各种磁壁结构，环状或扭曲磁结构等，分辨率在100纳米左右，并且分辨出两种可能的位形。该方法有助于进一步研究纳米层面上的拓朴磁结构，为开发新技术设备提供了实验基础。

文献链接：Three-dimensional magnetization structures revealed with X-ray vector nanotomography（Nature，2017，Doi:10.1038/nature23006）

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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