《自然》《科学》一周（1.15-1.21）材料科学前沿要闻

1. 可由电场控制的自组装纳米机器人手臂

（A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields）

材料名称： 基于DNA的纳米机器人手臂

研究团队：慕尼黑工业大学Simmel研究组

纳米机器人想要利用动态自组装 DNA 纳米结构，需要有快速可靠的驱动机制。因此，Kopperger 等人创建了一个 55 纳米见方的基于 DNA 的分子平台，并在上面集成了长度为 25 纳米的机器人手臂，该手臂可以扩展到 400 纳米以上，并可以通过外部施加电场来进行操纵。通过单对 Förster 共振能量转移实验和荧光显微镜证明了，可以在毫秒内实现机器人手臂在平台上任意位置间精确的切换。该机器人手臂可用于数十纳米的分子或纳米颗粒的电驱动运输，这对于控制光子和等离子体激元过程是很有用的。在外力诱导的 DNA 双链解链实验中，演示了通过机器人臂施加皮牛顿大小的力。（Science DOI: 10.1126/science.aao4284）

2. 光敏有机异质结构中的厘米级电子扩散

（Centimetre-scale electron diffusion in photoactive organic heterostructures）

材料名称：光敏有机异质结构

研究团队：美国密歇根大学Forrest研究组

有机半导体的独特性能，诸如柔韧性和轻便性，对于信息显示、照明和能源生产等都变得日益重要了。但是有机物同时存在静态和动态无序，这会导致可变程载流子跃迁，从而导致电特性差、电子和空穴迁移率低以及相对应的电荷扩散长度短（低于 1 微米）。Burlingame 等人展示了一个光活性（光响应的）有机异质结构，其包含电子阻挡层和混合供体：C70 富勒异质结，以及夹在其两者之间一个薄富勒烯通道，并通过离解激子产生电荷。在富勒烯通道中观察到了电子的厘米级扩散，并可以与简单的电子扩散模型拟合。该实验使得能够直接测量有机半导体中的电荷扩散系数，如室温下在 C60 通道中的电荷扩散系数高达 0.83±0.07 平方厘米每秒。富勒烯的高扩散性与极长的电荷重组时间相结合产生了超过 3.5 厘米的扩散长度，比有机体系预期的高出了几个数量级。（Nature DOI: 10.1038/nature25148）

3.手性磁性纳米颗粒和凝胶

(Chiromagnetic nanoparticles and gels)

手性无机纳米结构具有较高的圆二色性，但对其光学活性的实时控制至今只能通过不可逆的化学变化来实现。但对于手性光器件来说场调制才是一种更为理想的手段。Yeom 等人假定手性纳米结构可以获得磁场调制，且磁性转变偶极矩对偏振旋转的贡献很大。并发现，具有晶格手性扭曲的顺磁性 Co3O4 纳米颗粒的分散体和凝胶在可见光范围内显示出的光动力学活性，相当于同等尺寸非顺磁性纳米颗粒的 10 倍。纳米颗粒凝胶对紫外光范围内圆偏振光束的透过率可以通过磁场可逆调控。这种现象同样在其他具有印迹氨基酸和其他手性键修饰晶格扭曲的纳米金属氧化物中观察到。这系列手性陶瓷纳米结构和凝胶对于手性和磁性的连接以及推进相关新技术和领域的发展都是至关重要的。（Science DOI: 10.1126/science.aao7172）

4. 玻色-爱因斯坦凝聚体混合物中的量子液滴

(Quantum liquid droplets in a mixture of Bose-Einstein condensates)

材料名称：量子液滴

研究团队：西班牙巴塞罗那科学技术学院Tarruell研究组

量子液滴是由吸引力和排斥力平衡自我约束的小原子簇。Cabrera 等人报导了在两种玻色-爱因斯坦凝聚体的混合物中通过接触相互作用而完全稳定的液滴的观察结果。通过原位成像直接测量它们的大小和密度，证明了它们比液态氦要稀释多个数量级。而且表明了液滴要是稳定的，需要其中最小的原子数量是稳定的，用以防止量子波动引起的崩溃。在这个数量之下，量子压力会驱动液体-气体转变，Cabrera 等人将其作为相互作用强度的函数映射了出来。这些超稀释的各向同性液体保持弱相互作用，构成了一个理想的量子多体理论的基准平台。（Science DOI: 10.1126/science.aao5686）

5. 3D 打印全无机Bi2Te3-基油墨实现形状贴合的热电材料

(3D printing of shape-conformable thermoelectric materials using all-inorganic Bi2Te3-based inks)

材料名称： Bi2Te3热电材料

研究团队：韩国乌尔山国家科学技术研究所Jae Sung Son研究组

热电能量转换为废热发电提供了一条独特的解决方案。尽管近来热电材料的效率得到了提高，但因为难以制造出完美贴合热源所需的尺寸适当的热电材料，这阻碍了热电发生器件的广泛应用。Kim 等人报导了一种基于挤出式三维印刷方法来生产贴合热源几何形状的热电材料。所有无机粘弹性油墨都是利用 Sb2Te3 硫族元素金属化物离子作为 Bi2Te3-基微粒的无机粘合剂最终合成的。各种几何形状的三维印刷热电材料显示出了均匀的热电性质，其无量纲的品质因数值为 0.9（p型）和 0.6（n型），该值与体材料的值相当。Kim 等人利用 3D 印刷制成的柱面共形热电发生器以半环状安装在氧化铝管上，并对其进行了实验和计算研究。模拟表明：保形以及形状优化的热电发生器的功率输出比传统的平面热电器件要高。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0071-2）

6. 对 Ni-Mo 负载高纵横比微米硅丝光电阴极的光吸收和催化活性的空间解耦

(Spatial decoupling of light absorption and catalytic activity of Ni-Mo-loaded high-aspect-ratio silicon microwire photocathodes)

材料名称：微米硅丝上负载的Ni-Mo的催化剂

研究团队：荷兰缅因大学Huskens研究组

太阳能驱动的光电化学电池为实现太阳能的大规模转换和存储提供了很有希望的方法，而且只需要使用地球上储量充足的材料。用于析氢反应且地球上储量充足的催化剂，例如镍-钼（Ni-Mo），通常是不透明的，并且需要很高的负载量才能获得高催化活性，这又会导致下面的光吸收器的寄生光吸收（例如硅），因而限制了氢气的产生。Vijselaar 等人展示了能够将光吸收和催化活性进行空间和功能解耦的高效光阴极的制造。通过改变微丝上的催化剂覆盖率以及微丝之间的间距，使得能够将催化活性和光吸收两者的贡献反卷积成整体器件性能。这种方法使得硅微丝光电阴极在 AM1.5G 照明条件下表现出近乎理想的 35.5mA•cm-2 的短路光电流密度、495mV 的光电压和 62％ 的填充系数，从而产生了 10.8％ 的理想再生电池效率。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0068-x）

7. 应变分布及其对 WSe2-MoS2 横向应变异质结电子结构的影响

(Strain distributions and their influence on electronic structures of WSe2-MoS2 laterally strained heterojunctions)

材料名称：WSe2-MoS2异质结

研究团队：美国德克萨斯大学奥斯汀分校Shih研究组

单层过渡金属双硫族元素化合物的异质结，包括纵向和横向的 p-n 结，因其在电子和光电子领域存在的潜在应用而受到广泛的关注。原子级突变横向异质结中的晶格失配应变，如 WSe2-MoS2，为定制其电子性质提供了新的能带工程策略。但这种方法需要了解应变分布及其对能带排列的影响。Zhang 等人利用扫描隧道显微镜研究 WSe2-MoS2 横向异质结，并将其莫列波纹进行成像，以绘制具有高空间分辨率的完整二维应变张量。还利用扫描隧道谱测量了 WSe2-MoS2 横向异质结的应变和能带排列。并且发现失配应变会诱导能带排列从 II 型到 I 型的转换。扫描透射电子显微镜揭示了界面处的位错部分缓解了应变。最后，Zhang 等人还在异质结合界面处观察到了独特的电子结构。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0022-x）

8. 夹层结构结晶固体中的类液态热传导

(Liquid-like thermal conduction in intercalated layered crystalline solids)

材料名称：夹层结构结晶固体AgCrSe2

研究团队：日本原子能机构J-PARC中心

物体中的热输运过程都是由组成粒子单元的微观碰撞来实现的。通常，固体中的热传导既有横波又有纵波声子的参与，而液体中仅由轴向的纵波声子来实现。因此，通常情况下，固体的导热效果比液体强。这种差异也可以作为区分固体和液体的动态特征。Li 等人报导了在结晶 AgCrSe2 中观察到了具有液体特性的热传导。AgCrSe2 晶体中的横波声学支（TA）被完全抑制，而纵波声学支（LA）声子亦被强烈散射，即主导热输运的声学支具有强烈的液体特征。这一现象（固体的类液态热输运）也普遍存在于一系列具有类似层状结构的化合物之中，即范德瓦尔斯间隙中存在重元素插层晶体结构的化合物中。这一发现将极有可能重塑人们对物质中热输运的基本认知，并将对热电材料电声输运性能的提升提供良好的思路和契机。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-017-0004-2）