《自然》《科学》一周（1.22-1.28）材料科学前沿要闻

1. 一种光泳捕获立体显示器

（A photophoretic-trap volumetric display）

材料名称：光泳捕获立体显示器

研究团队：美国杨百翰大学Smalley研究团队

自由空间立体显示或在空间中创造发光图像点显示，这是与流行小说中三维显示最相似的技术。这种显示器能够在“稀薄的空气”中产生几乎从任何方向都可见且不会被裁剪的图像。裁剪限制了所有在具有边缘边界的二维表面上进行光调制的三维显示器的效用；这包括了全息显示器、纳米光子阵列、等离子显示器、透镜或小透镜显示器以及其中包含的光散射表面和物理分离图像点的所有技术。Smalley 等人提出了一种基于光泳光学捕获的自由空间立体显示器，它能够利用视觉暂留在自由空间中显示10 微米的图像点组成的全彩色图形。该显示器通过首先将纤维素颗粒分离在由球形和散光像差产生的光泳陷阱中而起作用的。然后通过显示器用红色、绿色和蓝色的光立体扫描照射陷阱和微粒。从而使得自由空间中的三维图像具有较大的色域、细节和较低表观散斑。这种名为“光学陷阱显示器”的平台能够生成由全息和光场技术（如长投影、高沙盘和“环绕”显示器）无法获得的图像几何图形。（Nature DOI: 10.1038/nature25176）

2. 用于液态金属置换电池的法拉第选择性膜

（Faradaically selective membrane for liquid metal displacement batteries）

材料名称：TiN 多孔膜

研究团队：美国麻省理工学院Sadoway研究组

在固定储能领域，有多种候选化学材料在不断寻求被采用的机会，而其中 Na-NiCl2 置换电池因为 β”-Al2O3 膜所具有的脆弱性而无法被广泛采用。Yin 等人报导了一种多孔电子导电膜，它不是通过调节离子传导实现化学选择性，而是通过法拉第反应来实现化学选择性。这种含有 TiN 多孔膜的置换电池包含有液态 Pb 正极、液态 Li-Pb 负极以及溶于 LiCl-KCl 共晶体中的 PbCl2 熔盐电解质组成，该电池循环工作于 410℃ 电流密度 150mA•cm-2 下，并表现出 92% 的库伦效率和 72% 的能量转换效率。在装有法拉第多孔膜的电池中表现出的优异性能，可以作为工业可扩展性的指标。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0072-1）

3.通过石墨烯薄膜进行质子传输的过程中的巨大光电效应

(Giant photoeffect in proton transport through graphene membranes)

材料名称：石墨烯薄膜

研究团队：英国曼彻斯特大学Geim研究组

石墨烯最近已被证明对热质子、氢原子核有可透过性，这引起了人们对其在相关技术中用作质子传导膜的兴趣。但光对质子渗透的影响仍未可知。Lozada-Hidalgo 等人报告了，透过铂纳米颗粒修饰的石墨烯进行的质子传输，可以利用可见光照射来大幅增强。并利用电气测量和质谱发现其光响应度约为 104A•W-1，该值可以转化为每个光子对应约 104 质子的增益。这些特性与基于硅和新型二维材料电子传输的最先进的光电探测器相当。光质子效应对于设想石墨烯用于燃料电池和氢同位素分离有可能是很重要的。其他诸如光诱导水分解、光催化和新型光电探测器等方面的研究也可能对这一观测结果感兴趣。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0051-5）

4. 在双层和三层石墨烯中操纵畴壁孤子

(Manipulation of domain-wall solitons in bi- and trilayer graphene)

材料名称：双层和三层石墨烯

研究团队：加州大学伯克利分校和上海交通大学联合研究组

拓扑位错和堆垛层错大大影响了功能晶体材料的性能。石墨烯中的层堆垛畴壁（DW）改变了其电子性质，并引发了令人着迷的新物理现象，例如量子谷霍尔边界态。人们为了获得具有先进性能的材料，在位错工程方面进行了大量的努力。但想要通过控制个别位错来精确控制散装材料的局部结构和局部性质仍是一个突出的挑战。Jiang 等人报告了可以通过原子力显微镜尖端施加的局部机械力来操纵双层和三层石墨烯中的单层堆垛 DW。并通过实验演示了移动、擦除和分割单个 DW 以及湮灭或创建闭环 DW 的能力。而且进一步表明，DW 运动是高度各向异性的，这为创建具有特定原子结构的孤子提供了一个简单的方法。还发现大多数人造 DW 结构在室温下都是稳定的。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0042-6）

5. 镁合金塑性增强机制的起源与预测

(Mechanistic origin and prediction of enhanced ductility in magnesium alloys)

材料名称：镁合金

研究团队：瑞士洛桑联邦理工学院Curtin研究组

由于角锥形 位错转变为固定结构导致纯镁表现出较差的延展性，这使得这种密度最低的结构金属无法用到提高能量效率的许多应用中去。Wu 等人表明了镁可以通过特定的稀释溶质增加韧性的原因，这是因为稀溶质使得 交叉滑移和倍增速率比有害的 转化速度快得多，从而使得既能在加工过程中有较好的质感又能在形变期间发生持续的塑性应变。定量理论建立了延性作为合金成分函数的条件，与许多现有的镁合金的实验非常吻合，并且溶质增强滑移机制通过透射电子显微镜观察在镁-钇中得到了证实。这种理论可以快速筛选出有利于高延展性条件的合金组成，并有助于开发高成形性的镁合金。（Science DOI: 10.1126/science.aap8716）

6. 可再生高性能的用于神经形态计算的 SiGe 外延存储器

(SiGe epitaxial memory for neuromorphic computing with reproducible high performance based on engineered dislocations)

材料名称：SiGe外延薄膜

研究团队：美国麻省理工学院Kim研究组

尽管已经尝试过多种类型的结合存储单元和晶体管的架构来演示人造突触阵列，但它们通常都呈现出较高的功耗和有限的可扩展性。无晶体管模拟（analog）开关器件可以克服这些限制，但是它们依赖于在无定形介质中形成长丝的典型开关过程不容易控制，因此妨碍了性能的空间与时间再现性。Choi 等人演示的模拟电阻开关器件具有神经形态计算网络所需的特性，该器件利用 Si 上外延生长的单晶 SiGe 层作为开关介质，实现了最小的性能变化。这种外延随机存取存储器利用 SiGe 中的穿透位错将金属丝限制在限定的一维通道中。这种限制使得切换均匀性大大提高，且具有高模拟开/关比的长保持/高耐久性。通过 MNIST 手写识别数据集的仿真证明了这种外延随机存取存储器可以以 95.1％ 的在线学习准确度运作。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-017-0001-5）

7. 超微小气溶胶颗粒对强对流和降水的增强

(Substantial convection and precipitation enhancements by ultrafine aerosol particles)

材料名称：超微小气溶胶微粒

研究团队：美国太平洋西北国家实验室Fan研究组

气溶胶云相互作用至今仍是气候预测中最大的不确定性。小于50纳米的超微小气溶胶微粒（UAP<50）可能丰富地存在于对流层中，但通常认为其太小而无法影响云的形成。但亚马逊河上的深对流云（DCC）观测证据和数值模拟表明，在低气溶胶环境中形成的 DCC 可以形成非常大的水汽过饱和，因为小液滴的快速聚结减少了整合小液滴的表面积和随后的凝结。从污染羽流中吸入云中的 UAP<50 会被激活形成额外的云滴，从而其上会形成过饱和凝结和额外的云水与潜热，从而增强对流强度。这一机制为以前原始地区的存在DCC 表达了强力的鼓舞支持。（Science DOI: 10.1126/science.aan8461）

8. 通过环状氯苯烯二聚反应合成部分或全熔凝多环芳烃

(Synthesis of partially and fully fused polyaromatics by annulative chlorophenylene dimerization)

材料名称：多环芳烃

研究团队：日本名古屋大学Murakami和Itami联合研究组

自从 Ullmann 和 Bielecki 在 1901 年发现以来，芳基卤化物的还原二聚（或偶联）已被广泛用于生成一系列基于联芳基的官能分子中。与这些产物中的单点连接相比，边缘共享熔凝芳族体系通常无法由简单的芳基卤化物通过环状级联获得。Koga 等人报导了以苯并菲为核心，通过双碳-氢键活化的结构和功能多样的氯苯烯由钯催化环结构二聚的方法，一步合成熔融芳烃。其中的部分熔凝的多环芳烃可以转化为完全熔凝的小石墨烯纳米带，这以其它方法是难以合成的。这种简单但功能强大的方法能够是西安光电研究中所感兴趣的功能性p-系统。（Science DOI: 10.1126/science.aap9801）

9. 热变色卤化物钙钛矿太阳能电池

(Thermochromic halide perovskite solar cells)

材料名称：无机卤化物钙钛矿铯铅碘化物/溴化物

研究团队：加州大学伯克利大学杨培东教授研究组

智能光伏窗代表了一种很有前景的绿色技术，其特点在于透明度和发电情况能够在外部激励下调节，从而控制光投射并管理太阳能。Lin 等人展示了一种利用无机卤化物钙钛矿铯铅碘化物/溴化物结构相变用于智能光伏窗应用的热致变色太阳能电池。这种太阳能电池能够在低功率输出的透明非钙钛矿相（81.7％ 可见光透过率）和具有高功率输出的深色钙钛矿相（35.4％可见光透过率）之间经由热驱动的水分介导实现可逆转变。这种无机钙钛矿具有可调的颜色和透明度，器件峰值效率高于 7％，相变温度低至 105 oC。通过多次重复的相变周期证明了其出色的器件稳定性，无褪色或性能下降，同时表现出光敏性和热致变色特征的光伏窗代表了与建筑、汽车、信息显示以及潜在的许多其它技术整合的关键垫脚石。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-017-0006-0）