精选20张Nature和Science封面带你回顾2017材料化学之美
来源 | 新材料在线（ID：xincailiaozaixian）
导读
岁末将至，2017年材料化学圈取得了哪些突破性进展呢？让我们通过下面这20期精美的期刊封面来一窥究竟吧~
Nature
哈佛大学、马里兰大学研究组分别研发出时间晶体
Nature 543, 164–166 (09 March 2017) doi:10.1038/543164a
图片作者：Peter Crowther
时间晶体是一种四维晶体，在时空中拥有一种周期性结构。可以将它看作是一只可以永远保持走时精确无误的钟，即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。2012年初，时间晶体的理论由诺贝尔物理学奖得主麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔泽克提出。这种奇特的物质曾被认为是违反物理规律而无法实现的，但来自哈佛大学和马里兰大学的两个研究组各自研究出了这样的“时间晶体”。
美国麻省理工学院Jeehwan Kim团队在远程磊晶与材料层转移方面取得新进展
Nature 544, 340–343 (20 April 2017) doi:10.1038/nature22053
图片作者：Felice C. Frankel (Nik Spencer绘)
晶体外延生长（磊晶）指的是让底物表面再长出一层晶体，该技术在半导体生产中广泛使用，但其成本仍将这一技术限制在了少数几种材料上。研究人员通过在底物上放置单层石墨烯，使底物能像复印机一样多次制造外延层，并转移到其他需要的底物上。该技术或将有助于光子学上的异质结合与柔性电子器件的发展。
香港城市大学吕坚团队成功研制出最强镁合金
Nature Voi 545,(3 May 2017)doi:10.1038/nature21691
图片作者：香港城市大学 Susanna Siu 和吴戈
香港城市大学的吕坚团队将纳米晶体与单相非晶态金属玻璃的优势结合起来，制备出了一种双相材料——MgCu2纳米晶粒包裹在非晶态玻璃壳中，得到迄今为止强度最大的镁合金薄膜，这种合金的强度接近理论极限。封面是研究人员利用透射电镜捕捉的超强镁合金薄膜的微观结构。
普林斯顿大学等在拓扑量子化学方面取得新进展
Nature 547, 298–305 (20 July 2017) doi:10.1038/nature23268
图片作者：JVG
数学拓扑学的规则可以判断材料属性，但预测一种材料是否具有拓扑特征是一项挑战。迄今为止，物理学家只发现了几百种“拓扑”化合物。在这个问题上，一组来自世界各地的物理学家、数学家和化学家共同提出了一个全新完整的理论，不仅能够判断哪些结构是拓扑非平庸的，而且还能利用它发现新的材料种类。
IBM沃森研究中心的研究人员在量子变分特征值解算器方面取得新进展
Nature 549, 242–246 (14 September 2017) doi:10.1038/nature23879
图片作者：CarlDe Torres
量子化学是量子计算机最有前途的应用之一。然而迄今为止，科学家只在实验室环境下使用量子硬件对最小的分子系统进行了模拟。研究者们在超导量子处理器上实现了量子变分特征值解算器模拟较大的分子系统。从而将量子化学计算的范围扩展至氢化锂（LiH）和氢化铍（BeH2），还能应用他们的技术来解决量子磁性问题。
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研究人员利用分子动力学模拟探测金属塑性极限
Nature 550, 492–495 (26 October 2017) doi:10.1038/nature23472
图片作者：AlexanderStukowski
这期封面所示为一张错综复杂的晶格缺陷（位错线）网络，其运动使金属钽在压缩状态下流动。金属塑性变形的全动态原子模拟在计算上非常苛刻，通常涉及中尺度近似。在这个问题上，研究人员展示了具有高达2.68亿原子的全动态的原子级金属塑性模拟，每个这样的模拟产生大约2EB（1EB = 1018B）的数据。通过金属塑性变形的全动态原子模拟发现，当达到一定极限条件时，变形孪晶成为代替其动态响应的主要模式。其流动应力和位错密度达到一个稳定状态，金属就像一块面团一样可以被无限揉搓。
东京大学研究人员利用钙泵晶体揭示蛋白质-磷脂相互作用
Nature 545, 193–198 (11 May 2017) doi:10.1038/nature22357
图片作者：乘松良行（Yoshiyuki Norimatsu），丰岛近
传统的X射线结晶学方法无法显示出膜磷脂，因此，人们在对膜蛋白进行结构分析时一般不得不假设脂质双分子层不存在。研究人员利用X射线溶剂反差调变方法揭示出的钙泵晶体中的脂质双分子层。他们用这种方法描述了钙泵的四种状态，首次揭示了脂质双分子层是如何积极参与钙泵的连续构向转变的。
加州理工大学研究人员利用DNA自组装技术再现《蒙娜丽莎》
Nature 552, 67–71 (07 December 2017) doi:10.1038/nature24655
图片作者：GRIGORY
使用二维DNA纳米结构产生具有纳米精度的表面图案并非新技术，但是此前的尺寸大小一直局限于0.05平方微米左右——对于许多潜在应用来说太小了。这期封面是钱璐璐课题组利用DNA自组装技术创造出来8.704像素的《梦娜丽莎》画像，研究表明在一个多级加工过程中递归应用简单的组装规则，就可以利用一小组特别的DNA链创造出最大达0.5µm2的2D阵列。
Nature Materials
美国德州大学奥斯汀分校研究人员在金属氧化物-半导体光电极方面获得新突破
Nat. Mater., 2017, 16, 127-131, DOI: 10.1038/nmat4801
过去的十年中，用于生产太阳能燃料的硅基光电极受到广泛关注。但是硅易腐蚀，这使得硅在作为光电极而应用时遇到了较大挑战。美国德州大学奥斯汀分校的Li Ji等研究者利用局部介质击穿（dielectric breakdown），提出了一个改善金属-氧化物-半导体光电极性能的通用方法，可兼顾稳定性和效率，并且金属氧化物层还可起到薄膜增透涂层的作用，增加光吸收效率。
加拿大多伦多大学Milica Radisic等研发出形状记忆心肌材料
Nat. Mater., 2017, 16, 1038-1046, DOI: 10.1038/nmat4956
心脏修复通常需要使用创伤较大的手术来植入修复材料。加拿大多伦多大学Milica Radisic等人报道了一种可注射的形状记忆心脏修复材料，在大鼠心肌梗塞模型中有与常规手术相似的效果。在大型动物模型（猪）中，这种基于可生物降解高分子的修复材料的微创植入也得到了验证。
韩国全南国立大学Won Bin Im等研发出不易热淬灭的蓝光磷光体
Nat. Mater., 2017, 16, 543-550, DOI: 10.1038/nmat4843
磷光体转换白光发光二极管是用于照明、高科技显示器和电子设备的高效光源，目前所面临的最大问题之一是磷光体的热淬灭。韩国全南国立大学Won Bin Im等人报道了一种具有发光补偿机制的蓝光磷光体，即使在200 ℃下也没有发生热淬灭。
Nature Materials综述：二维材料登上舞台
Nat. Mater., 2017, 16, 170-181, DOI: 10.1038/nmat4703
从过渡金属二硫属化物（TMDCs）到Xenes，以及它们与其他2D或非2D材料在范德华异质结构中的组合，这些层状材料在近期的研究中展现出了引人瞩目的基本性质，并拓宽了2D材料家族的应用范围。美国西北大学的Mark C. Hersam等人综述了新兴的混合维度（2D + nD，其中n为0、1或3）范德华异质结构器件的现状，以及面临的挑战和机遇。美国明尼苏达大学的Tony Low等人则回顾了与层状2D材料极化激元有关的新进展，并梳理了大量二维材料中的极化模式，及其光学光谱性质、品质因数和应用空间。
奥地利格拉茨技术大学和日本大阪府立大学研究人员快速制备出取向多晶MOF膜
Nat. Mater., 2017, 16, 342-348, DOI: 10.1038/nmat4815
制备金属有机框架（MOF）的取向结晶膜是MOF应用于诸如光学、微电子学、微流体学和传感等领域的关键步骤。然而，直接合成具有受控晶体取向的MOF膜仍是一个重大挑战。奥地利格拉茨技术大学的Paolo Falcaro和日本大阪府立大学的Masahide Takahashi等研究者，使用结晶氢氧化铜作为衬底，采用异质外延生长（heteroepitaxial growth）方法在温和条件下一步快速制备厘米级的取向多晶MOF膜。
英国布里斯托大学Stephen Mann等在仿生细胞吞噬方面取得新进展
Nat. Mater., 2017, 16, 857-863, DOI: 10.1038/nmat4916
模仿生物系统复杂而有效的行为，是科学家们追求已久的目标。英国布里斯托大学Stephen Mann等人收到细胞吞噬作用（phagocytosis）的启发，在合成原细胞中实现了自驱动的磁性Pickering乳液液滴选择性地摄入稍小的氧化硅胶体。这种人工吞噬作用可以选择性递送和释放胶体体中的水溶性“货物”，还有可能与MPE液滴内的酶活性相偶联。
中国科学技术大学俞书宏团队开发出新型石墨烯海绵
Nature Nanotechnology 2017, Vol 12 No 5
中国科学技术大学化学与材料科学学院教授俞书宏团队设计出一种具有原位加热和油水分离功能的石墨烯海绵，降低了原油粘度并提高原油吸附速率（吸附时间降低了94.6%）。当海上石油泄漏时，短短几小时内，石油黏度就会增加上百倍，目前的疏水亲油性质的多孔吸附剂材料难以快速吸附浮油。原位调节石油流变性并最终实现石油的快速清理是一个原创性的概念，能够快速清理水面高粘度浮油的新纪元，未来的智能复合材料还可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重质石油或者沥青。
英国剑桥大学和法国巴黎文理研究大学的研究人员在液态MOF方面取得新进展
Nature Materials 2017, Vol 16 No 11
当前MOF的研究几乎都集中在晶体结构上。英国剑桥大学的Thomas D. Bennett和法国巴黎文理研究大学的François-Xavier Coudert等人用中子和X射线散射研究了熔点之上的沸石咪唑酯骨架材料的结构和孔隙率，发现在形成MOF液体时，MOF的化学构型、配位键和孔隙都还仍然存在。
Science
北京大学刘开辉等开发出使米量级单晶石墨烯工业化制备成为可能的新技术
Science Bulletin, 2017, 62(15): 1074-1080
北京大学刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士、韩国蔚山科技研究所丁峰教授及其合作者实现了在工业铜箔上制备5×50 cm2大单晶石墨烯。他们发展了一种基于温度梯度驱动晶界运动的技术，成功地把工业级多晶铜箔转化成为单晶Cu(111)。利用单晶Cu(111)作为石墨烯生长的基底，他们实现了石墨烯的外延生长和无缝拼接，完成了在短时间内制备5×50 cm2的石墨烯单晶薄膜的突破，创造了石墨烯单晶尺寸的世界纪录。该快速制备方法具备成本低廉和工业生产兼容等优点，为石墨烯单晶的大规模工业生产铺平了道路。
捷克科学院物理研究所等利用电子衍射“看见”纳米单晶中的氢原子
Science2017, Vol 355 Iss 6321
Palatinus等人报道了一种3D电子衍射技术，可以在从亚微米到纳米尺度的晶体中直接定位氢原子。 研究人员利用三维电子衍射（3D ED）数据和结构精修算法，实现了对电子束敏感的有机材料和部分无序的无机材料精细结构的确定，尤其是对氢原子的位置的确定。利用这种技术所得到的完整、具体的晶体结构，可以和一百万倍大的晶体的X射线衍射（XRD）所得数据相媲美。该项工作揭示了晶体中其他原子的精确排列也可以直接被“看见”。利用电子衍射技术得到亚微米和纳米尺寸晶体的结构信息的质量得以提高，多晶材料的结构解析精确度得到质的提升。
德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Wegener团队研究出三维手型超材料
Science. 2017, 358(6366): 1072-1074.
正如人们把具有超能力的人称为超人一样，人们把具有反直觉的特殊性能的人造材料称为超材料。研究人员发明了一种三维手型超材料，随着压缩可产生左右扭转。材料发生扭转，往往意味着材料存在手性，也就是材料中某些结构单元的镜像无法与其自身重合，就像人的左手和右手。在整个毫米级的样品上，因为环形结构对力的传导，受到挤压的结构单元并没有像常规材料那样向四周膨胀，而是发生了扭转。通过先进的三维激光微印制造技术，将这类结构单元进行堆叠之后，形成的宏观材料仍然展现出了受力旋转的特性。具有普通材料无法达到的机械性能，为开发具有不寻常变形行为的材料提供了的更可行的方法。
埃尔朗根-纽伦堡大学研究人员研发出更接近商业化的钙钛矿太阳能电池
Science 01 Dec 2017:Vol. 358, Issue 6367, pp. 1192-1197
钙钛矿太阳能电池的效率在几年内从单位数字上升到了22.1％。在目前发展阶段的关键问题是如何进一步提高效率和长期稳定性，YiHou等人报道了一种无离子掺杂的新型有机空穴传输层，使钙钛矿太阳能电池在成本、稳定性和效率之间得到平衡，从而更接近商业化。研究人员使用Ta掺杂的WOx/共聚物组成的HTM界面传输层（PDCBT/Ta-WOx）可以形成quasi-ohmic接触，有效降低界面势垒，阻止Au迁移，结合使用C60单层自组装膜（C60-SAM）作为电子传输层可以，使得新型的钙钛矿太阳能电池效率可达21.2%，稳定运行超过1000小时。
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