《自然》《科学》一周（12.4-12.10）材料科学前沿要闻

1. 石墨烯中单个原子缺陷的共振耗散图像化

（Imaging resonant dissipation from individual atomic defects in graphene）

电流转化为热的过程涉及纳米尺度和微小电能释放的微观过程。尽管材料的电学特性对于研究者来说至关重要，但是，能量耗散的个别调控目前还难以直接观测。利用亚微开尔文的扫描纳米温度测定法，Halbertal等人将源自石墨烯中个别原子尺度缺陷的光子发射可视化。当费米能级进入电子准束缚态的共振时，推测的电子-光子“冷却功率谱”表现出尖锐的峰。在石墨烯边界丰富的可转换的原子尺度光子发射提供了主要耗散机制。Halbertal等人的工作为处理现代电子学中的关键材料提供了思路，使纳米尺度的耗散控制成为可能。（Science DOI: 10.1126/science.aan0877）

2. 阿秒分辨的手性分子光电离

（Attosecond-resolved photoionization of chiral molecules）

对手性光物质相互作用的研究已经有两个世纪了，发现了许多用于鉴别对映异构体的手性光学过程。尽管大多数手性光效应是由束缚电子的响应引起的，但是光致电离可以产生强得多的手性信号，其表现为光电子沿着光传播轴角度分布的不对称性。Beaulieu 等人采用自参考阿秒光电子干涉测量法测量了圆偏振激光脉冲作用下樟脑光致电离时发射的正、反向电子波包的时间分布，并测量了前后向喷射的电子之间的延迟（取决于喷射角度），结果达到了 24 阿秒。通过自电离状态发射的电子波包的非对称时间形态进一步揭示了强关联电子动力学的手性特征。（Science DOI: 10.1126/science.aao5624）

3.纳米颗粒在生物单晶内相干排列：一种生物预应力策略

(Coherently aligned nanoparticles within a biogenic single crystal: A biological prestressing strategy)

与合成材料相反，生物体产生的材料是在环境条件下形成的，并且可选的元素有限。尽管如此，活体生物仍展示出了实现特定功能的优雅策略，包括从骨骼支持到咀嚼，从传感器和防御性工具再到光学功能。Polishchuk 等人利用最先进的表征技术，提出了一种生物学的方法来加强和韧化在蛇尾纲动物 Ophiocoma wendtii（一种海星）中发现的脆弱的方解石光学透镜。这个奇妙的过程是利用相干纳米沉析物来诱导主体基质上的压应力，功能上类似于古典冶金学中的吉尼尔-普雷斯顿区。Polishchuk 等人认为镁中富含这些方解石纳米颗粒，在从非晶形到结晶相转变过程中或之后偏析出来，类似于过饱和淬火合金的偏析现象。（Science DOI: 10.1126/science.aaj2156）

4. 磁性拓扑绝缘体畴壁上的量子化手性边缘传导

(Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator)

磁性和介电材料中的电子排序会形成具有不同顺序参数标志的畴。对畴壁（DW）的构型和运动的控制使得能够实现对微小外部场进行非易失性响应。Yasuda 等人实现了磁性拓扑绝缘体的磁性 DW 上的手性边缘态（CES）。他们利用磁力显微镜的尖端，设计和制造了量子异常霍尔态的磁畴，并通过传输测量证明了沿指定 DW 的手性一维边缘传导的存在。基于可重构 CES 和 Landauer-Büttiker 数学形式的概念验证设备可以实现定义明确的 DW 通道的多畴构形。这一成果可能会促使实现低功耗的自旋电子器件。（Science DOI: 10.1126/science.aan5991）

5. 过渡金属硫族化合物中激子凝聚的特征

(Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide)

玻色凝结塑造了我们对宏观量子现象的理解，并已经在超导体、原子气体和液氦中实现了。激子是被预测会凝结成超流体或绝缘电子晶体的玻色子。利用最近开发的动量分辨电子能量损失谱（M-EELS）技术，Kogar 等人研究了过渡金属硫族化合物半金属 1T-TiSe2 中的电子集体模式。在相变温度（190 开尔文）附近，电子模式的能量在非零动量处下降至零，这表明等离子体波动的动力学减慢以及价电子结晶成激子凝聚物。这一研究为三维固体中的激子凝聚提供了令人信服的证据，并将 M-EELS 确立为对量子材料中价带激发敏感的多功能技术。（Science DOI: 10.1126/science.aam6432）

6. 富锂反萤石结构Li5FeO4同时发生阴离子和阳离子氧化反应实现高容量锂电池

(Enabling the high capacity of lithium-rich antifluorite lithium iron oxide by simultaneous anionic and cationic redox)

锂离子电池正极材料中阴离子氧化还原反应使得能量密度能够翻倍甚至是三倍。然而，发展这样的正极材料尤其是含有地球丰量元素的材料，仍然具有很大的挑战性，主要是由于截断不可逆氧化反应产生氧气的策略非常有限。Zhan等人报导了在富锂反萤石结构Li5FeO4电极中同时发生Fe和O的氧化还原反应，在这一电位阳离子氧化反应同时发生。这些阳离子和阴离子的氧化还原反应表现出很高的可逆性并且没有明显的氧气析出。而且，这一研究通过引入仅和Li+配位的氧离子，为设计高容量的具有可逆氧还原活性的正极材料提供了指导思路。（Nature Energy DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-017-0043-6）

7. 沥青衍生的多孔碳选择性分离CO2

(Increased CO2 selectivity of asphalt-derived porous carbon through introduction of water into pore space)

发展廉价多孔固态吸附剂，例如多孔碳，能够从大气中选择性地捕获CO2，从而有效地减少CO2排放。然而，在更高的压力下，CO2和CH4之间的选择性却很差。Jalilov等人研究表明H2O能够被吸入沥青衍生出的多孔碳中，这种碳的比表面积为4200 m2/g，能够产生一种水合粉末材料。在保持很高的CO2摄取量（48 mmol/g，211wt%）的同时，CO2对于CH4的摩尔选择性大于200:1，并且，经过多次循环，水仍然保持在孔内。为了模拟真实的气井，他们使用了90%CH4和10%CO2的混合气体，表明在20 Bar时CO2能够选择性地分离。而且，原位的振动谱表明有序母体材料的形成，以及母体材料的孔中含有气相水合物。（Nature Energy DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-017-0030-y）

8. 二维材料中的亚纳米通道

(Sub-nanometre channels embedded in two-dimensional materials)

由于具有原子层厚度，二维材料能够应用于透明电子器件和终极长度扩展，是应用于下一代电子器件的最有前景的材料。目前为止，原子层厚度的p-n结、金属-半导体接触和金属-绝缘体壁垒已经有所报导。尽管2D材料能够使器件达到很薄的程度，但是，横向上精确的纳米控制仍然十分必要。Han等人，利用位错催化方式直接在单层WSe2中生长了亚纳米宽度的1D MoS2通道。这种1D通道错配的边界和悬挂键，与2D基底形成了相干界面。周期性位错阵列产生了WSe2中相干MoS2一维通道的2D超晶格。使用分子动力学模拟，Han等人确定了别的2D材料组合中也可以形成1D通道。这些一维材料中电子能带结构为直接带隙材料中载流子限域和电荷分离提供了应用前景（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5038）