1. Nature：基于谷邊緣態(tài)的電泵浦拓?fù)浼す馄?/span>
量子級(jí)聯(lián)激光器是一種小型的電泵浦光源，發(fā)光頻段位于電磁波譜中十分重要的中紅外和太赫茲區(qū)域。最近，研究人員將拓?fù)鋵W(xué)概念從凝聚態(tài)物理延伸到光子學(xué)，開發(fā)了基于拓?fù)浔Ｗo(hù)光子模式的新型激光發(fā)射方式，該方法能有效避開角缺陷以及其他缺陷。然而，截至目前，所有實(shí)現(xiàn)的拓?fù)浼す馄鞫疾捎昧送庠诩す庠催M(jìn)行光泵浦，并且在傳統(tǒng)光學(xué)頻段下運(yùn)作。
最近，南洋理工大學(xué)王岐捷、Yidong Chong、張柏樂等人實(shí)現(xiàn)了基于拓?fù)浔Ｗo(hù)谷邊緣態(tài)的電泵浦太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器。
本文要點(diǎn)：
1）傳統(tǒng)拓?fù)浼す馄饕蕾囉谳^大尺寸的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)，而該研究則利用光子晶體的谷自由度（類似于具有能隙的二維谷電子學(xué)材料）實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。
2）即使引入擾動(dòng)，具有尖角的三角形腔也能實(shí)現(xiàn)均勻間隔的激光發(fā)射峰，原因在于拓?fù)浔Ｗo(hù)的谷邊緣態(tài)能自由流動(dòng)，不受局域化影響。
3）作者通過往拓?fù)淝惶砑硬煌妮敵鲴詈掀鳎綔y了拓?fù)浼す饽Ｊ降男阅堋?/span>
最后，作者指出，基于谷邊緣態(tài)的激光可能為實(shí)現(xiàn)在電驅(qū)動(dòng)激光源中引入拓?fù)浔Ｗo(hù)提供了新的路徑。
圖：基于拓?fù)浔Ｗo(hù)谷邊緣態(tài)的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的設(shè)計(jì)。
YongquanZeng et al. Electrically pumped topological laser with valley edge modes.Nature, 2020.
DOI:10.1038/s41586-020-1981-x
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1981-x
2. Nature Rev. Chem.展望：中空多殼結(jié)構(gòu)：時(shí)空有序性和動(dòng)態(tài)智能行為
中空多殼結(jié)構(gòu)（HoMS）由多個(gè)單獨(dú)的殼層組成，相鄰殼層之間具有一定空隙。在HoMS中，物質(zhì)可以透過殼層的納米孔進(jìn)出，在不同的空隙（即反應(yīng)環(huán)境）中發(fā)生變化。此外，HoMS具有高比表面積、高負(fù)載量和（或）緩沖效應(yīng)，利于質(zhì)量/能量傳遞以及材料表面的高效利用。以上這些都是HoMS常被探索和應(yīng)用的性質(zhì)。相比之下，人們對(duì)HoMS的時(shí)空有序反應(yīng)和動(dòng)態(tài)智能行為則研究較少。
有鑒于此，中國科學(xué)院過程工程研究所王丹課題組聚焦HoMS的時(shí)空有序性和動(dòng)態(tài)智能行為，從制備方法、形成原理、功能化、應(yīng)用等方面進(jìn)行了分析，并提出了展望。
本文要點(diǎn):
1）描述了HoMS的制備方法，以及其形成過程中的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變化。
2）分析了HoMS內(nèi)單個(gè)殼層的組分、結(jié)構(gòu)功能化，以及其如何產(chǎn)生基于時(shí)空有序性和動(dòng)態(tài)智能行為的應(yīng)用。
3）展望了未來的重點(diǎn)研究方向，例如將各類材料體系（氧化物、碳化物、氮化物、氟化物、磷化物、硒化物等）異質(zhì)集成于HoMS，開發(fā)簡易量產(chǎn)的方法，利于先進(jìn)表征技術(shù)和理論計(jì)算探究反應(yīng)機(jī)理及結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步挖掘HoMS在分離純化、電池/超級(jí)電容器、多步催化反應(yīng)器等方面的應(yīng)用。
總之，具有時(shí)空有序性和動(dòng)態(tài)智能行為的中空多殼結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)那熬埃瑥幕A(chǔ)科學(xué)到概念驗(yàn)證應(yīng)用尚需大量努力。
圖：HoMS的關(guān)鍵參數(shù)及新應(yīng)用開發(fā)。
JiangyanWang et al. Hollow multishell structures exercise temporal–spatial ordering and dynamicsmart behavior. Nature Reviews Chemistry, 2020.
DOI:10.1038/s41570-020-0161-8
https://www.nature.com/articles/s41570-020-0161-8
3. Nature Rev. Mater.：高熵陶瓷
無序多組分系統(tǒng)在相圖中占據(jù)絕大部分未知區(qū)域，且在2004年被作為一種新材料體系提出。其核心在于最大化位形熵以穩(wěn)定（近）等摩爾混合物，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)穩(wěn)的系統(tǒng)——也就是高熵材料。關(guān)于高熵材料，最初的研究集中于金屬合金和氮化物薄膜。2015年，研究人員在氧化物混合物系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)了熵穩(wěn)定原理。隨后，其他高熵?zé)o序陶瓷不斷出現(xiàn)，特別是通過添加更多組分實(shí)現(xiàn)材料多種性質(zhì)的集成，使其在應(yīng)用性能方面明顯提高。緊隨其后，研究人員發(fā)現(xiàn)高熵陶瓷具有廣泛的應(yīng)用，例如熱障涂層、熱電、催化、電池、耐磨耐蝕涂層等。
有鑒于此，杜克大學(xué)Stefano Curtarolo團(tuán)隊(duì)對(duì)高熵陶瓷這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)況進(jìn)行了討論，并給出了展望。
本文要點(diǎn)：
1）從以下幾個(gè)方面對(duì)高熵陶瓷進(jìn)行了總結(jié)與討論：a. 背景；b. 理論計(jì)算（可制備性、性質(zhì)）；c. 單相高熵陶瓷（巖鹽型(MgCoNiCuZn)O高熵氧化物、螢石型高熵氧化物、鈣鈦礦型高熵氧化物、其他類高熵氧化物、B/C/N/Si化物）；d. 應(yīng)用（鋰離子電池、超級(jí)電容器、熱化學(xué)分解水、催化、熱防護(hù)/環(huán)保、熱電）；e. 無序薄膜（耐磨耐蝕耐氧化涂層、微電子阻擋層、電子陶瓷、自旋電子反鐵磁層、熱絕緣層、生物相容涂層）；f. 未來方向。
2）文章指出，在陶瓷領(lǐng)域，熵的相關(guān)原理能設(shè)計(jì)出許多新材料，既可以是薄膜材料，也可是塊體材料。類似思想可以擴(kuò)展——在整個(gè)材料領(lǐng)域中，熵都是非常重要的影響因素，應(yīng)該引起研究人員的重視。
總之，該綜述全面回顧了高熵陶瓷的研究進(jìn)展，并展望了未來的前景。
圖1. 高熵陶瓷的應(yīng)用。
圖2. 高熵陶瓷的高度對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。
CoreyOses et al. High-entropy ceramics. Nature Reviews Materials, 2020.
DOI:10.1038/s41578-019-0170-8
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0170-8
4. Nature Commun.: 多組分共聚物的顏色可調(diào)超長有機(jī)室溫磷光
近年來，發(fā)射特性可調(diào)和壽命長的發(fā)光功能材料在信息加密，有機(jī)電子學(xué)和生物電子學(xué)等領(lǐng)域吸引了廣泛的關(guān)注。近日，南洋理工大學(xué)Yanli Zhao、南京工業(yè)大學(xué)黃維院士、安眾福等人提出了一種設(shè)計(jì)策略，以通過自由基多組分交聯(lián)共聚實(shí)現(xiàn)聚合物中的可調(diào)諧超長有機(jī)室溫磷光（UOP）。該策略為開發(fā)室溫長壽命發(fā)射的多色生物標(biāo)簽和智能發(fā)光材料鋪平了道路。
本文要點(diǎn):
1）激發(fā)波長從254nm改變?yōu)?70nm，聚合物可實(shí)現(xiàn)從藍(lán)色到黃色的多色發(fā)光，壽命達(dá)到1.2s，在環(huán)境條件下的最大磷光量子產(chǎn)率為37.5％。
2） 作者基于顏色可調(diào)的UOP屬性探索了這些聚合物在多層信息加密中的應(yīng)用。
LongGu, et al. Color-tunable ultralong organic room temperaturephosphorescence from a multicomponent copolymer. Nat. Commun. 2020.
DOI:10.1038/s41467-020-14792-1
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14792-1
5. JACS：揭示經(jīng)典光解水制氫系統(tǒng)的催化位點(diǎn)
半導(dǎo)體量子點(diǎn)（QD）與3d軌道金屬離子（例如Fe3+，Co2+和Ni2+）結(jié)合在一起已成為太陽光驅(qū)動(dòng)制氫（H2）的一種極其有效，便捷且經(jīng)濟(jì)高效的手段。然而，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，活性位點(diǎn)的確切結(jié)構(gòu)變化過程仍然難以捉摸，并且對(duì)于背后的H2析出機(jī)理還知之甚少。為了研究這一問題，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所吳驪珠院士，李旭兵和北京科技大學(xué)Lei Gao等人成功地跟蹤了由CdSe/CdS QD和3d軌道金屬離子（即此處使用的Ni2+）所組成的典型H2光解催化系統(tǒng)中催化位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化過程。
本文要點(diǎn)：
1） Ni(OAc)2中鎳前驅(qū)體在中性H2O中變?yōu)镹i（H2O）62+，并最終在堿性介質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)镹i（OH）2納米片。
2） 此外，電子順磁共振的原位光譜分析和X射線吸收光譜揭示了Ni（OH）2由光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕萁Y(jié)構(gòu)的[Nix0/Ni1-x（OH）2]，這才是真正的H2光解催化物質(zhì)。
3） 密度泛函理論（DFT）的計(jì)算進(jìn)一步表明，Ni（OH）2納米片上的表面Ni空位（VNi）增強(qiáng)了H2O分子的吸附和解離，從而提高了局部質(zhì)子濃度，而Ni0團(tuán)簇表現(xiàn)為H2的析出位點(diǎn)，從而在堿性介質(zhì)中協(xié)同提高光解制氫活性。
YangWang, et al. Unveiling Catalytic Sites in a Typical Hydrogen PhotogenerationSystem Consisting of Semiconductor Quantum Dots and 3d-metal Ions, J. Am. Chem. Soc. 2020
DOI:10.1021/jacs.9b11768
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11768
6. Angew綜述: 層狀富鋰正極材料的反應(yīng)機(jī)理
層狀富鋰正極材料因其較高的理論比容量而引起了廣泛的關(guān)注。然而，差的循環(huán)穩(wěn)定性和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過多年的沉寂，近年來科研者們恢復(fù)了層狀富鋰正極材料的開發(fā)，以解決我們對(duì)高能量密度鋰離子電池日益增長的依賴性。悉尼科技大學(xué)汪國秀和Bing Sun等人回顧了層狀富鋰錳基正極材料的最新研究進(jìn)展。
本文要點(diǎn)：
1）對(duì)層狀富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)表征和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入的理解。
2）全面總結(jié)了過渡金屬離子的陽離子氧化還原反應(yīng)和氧物種的陰離子氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理。
3）討論了下一代鋰離子電池層狀富鋰正極材料未來發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
ShuoqingZhao, et al. Reviving Reaction Mechanism of Layered Lithium‐Rich Cathode Materials forHigh‐Energy Lithium‐IonBattery, Angew., 2020
DOI: 10.1002/anie.202000262
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202000262
7. Nano Lett.:Pt-Co納米框架用作高性能的燃料電池電催化劑
Pt基合金在燃料電池領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，尤其是對(duì)陰極的氧還原反應(yīng)（ORR）和陽極的甲醇氧化反（MOR）。合理的設(shè)計(jì)Pt基合金的組成和形貌對(duì)提高催化性能至關(guān)重要。近日，加州大學(xué)伯克利分校的楊培東教授團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)刻蝕實(shí)心菱形十二面體Pt-Co合金中的Co合成Pt-Co納米框架，所得材料在ORR和MOR反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
本文要點(diǎn)：
1）在酸性電解液中，所得的Pt-Co納米框架表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR性能，其初始質(zhì)量活性高達(dá) 0.40 A mgPt-1，經(jīng)過10000次循環(huán)后，其質(zhì)量活性仍有0.34 A mgPt-1的保持。
2）在堿性電解液中，納米框架的MOR質(zhì)量活性高達(dá)4.28 A mgPt-1，是商業(yè)化Pt/C催化劑的4倍。
3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米骨架與含碳毒化中間體的弱相互作用有助于增強(qiáng)MOR性能。
4）更重要的是，Pt-Co納米框架在長時(shí)間循環(huán)測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，這可以歸因于電化學(xué)過程中可以忽略不計(jì)的Co溶解。
ShoupingChen et al. High-Performance Pt?Co Nanoframes for Fuel-CellElectrocatalysis. Nano Lett., 2020.
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b05251
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b05251
8. ACS Nano：可規(guī)模化的CsPbX3鈣鈦礦陣列的兩步圖案化
鹵化物鈣鈦礦具有許多重要的光電特性，包括高發(fā)光效率、高吸收系數(shù)、色純度和可調(diào)的發(fā)射波長，這使該材料有望用于光電應(yīng)用。但是，仍無法精確控制鹵化鈣鈦礦的大規(guī)模圖案化生長，這限制了其在各種設(shè)備應(yīng)用中的潛力。楊培東團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種銫鉛鹵化鈣鈦礦單晶陣列生長的圖案化方法。
本文要點(diǎn):
1）該方法包括兩個(gè)步驟：鹵化銫鹽陣列的構(gòu)圖和化學(xué)氣相傳輸（CVT）工藝（將銫鹽陣列轉(zhuǎn)化為單晶鈣鈦礦陣列）。
2）研究表征確認(rèn)了合成的鈣鈦礦陣列的化學(xué)組成和光學(xué)性質(zhì)。這種圖案化方法可以對(duì)單晶銫鉛鹵化鈣鈦礦陣列進(jìn)行圖案化，其間距可調(diào)（從2 μm至20 μm），晶體尺寸（從200nm至1.2 μm），產(chǎn)率高（幾乎所有陣列中的每個(gè)像素都轉(zhuǎn)化成了鈣鈦礦晶體）。
總而言之，該大規(guī)模構(gòu)圖方法為研究基于鈣鈦礦的新型光電應(yīng)用的基本特性和機(jī)遇提供了一個(gè)平臺(tái)。
CsPbX3圖案化工藝
Chung-KuanLin et al. Two-Step Patterning of Scalable All-InorganicHalide Perovskite Arrays, ACS Nano 2020.
DOI:10.1021/acsnano.9b09685.
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09685
9. ACS Nano綜述：基于納米材料的仿生觸覺傳感器
觸覺傳感器技術(shù)在目前已成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，其在機(jī)器人開發(fā)和設(shè)計(jì)可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)方面有著廣泛的應(yīng)用。
本文要點(diǎn)：
1）觸覺傳感系統(tǒng)的研究主要致力于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：(1)開發(fā)高感應(yīng)能力、可模仿生物功能和特點(diǎn)的人類皮膚的傳感系統(tǒng)，(2)可以滿足可穿戴設(shè)備的靈活性需求和實(shí)現(xiàn)低功耗條件下的數(shù)據(jù)分析及處理能力。
2） 延世大學(xué)Jong-Hyun Ahn教授綜述介紹了基于仿生技術(shù)的人工觸覺傳感系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)這些仿生技術(shù)所展示的生物系統(tǒng)的功能特征，包括機(jī)械力感受和用于人機(jī)界面的人體皮膚感覺神經(jīng)元等進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；隨后討論了與該領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)研究，最后就其所面對(duì)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方案做了詳細(xì)說明。
YongjunLee. et al. Biomimetic Tactile Sensors Based on Nanomaterials. ACS Nano.2020
DOI:/10.1021/acsnano.0c00363
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00363
