《自然》《科学》一周（4.30-5.6）材料科学前沿要闻

1. 纳米晶粒金属的晶粒小于临界尺寸时的热稳定性增强

（Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size）

材料名称：金属纳米晶

研究团队：中国科学院金属研究所卢柯院士研究组

纳米成形材料具有在高温下粗糙化趋势很强的局限性。随着晶粒尺寸减小到纳米尺度，晶粒粗糙化会发生在低得多的温度下，甚至对于某些金属而言会低至环境温度。Zhou 等人发现，低温下由塑性变形产生的纯铜和镍中的纳米级晶粒在临界晶粒尺寸以下显示出了显著的热稳定性。不稳定温度会随着晶粒尺寸的减小而升高，并且纳米晶粒甚至能够在粗晶的再结晶温度以上仍保持稳定。塑性变形中部分位错的活化会使纳米晶晶界自发从高能态演变到低能态，从而增强了热稳定性。（Science  DOI: 10.1126/science.aar6941）

2. 用于创建复杂异质结构纳米微粒库的可调微粒内框架

（Tunable intraparticle frameworks for creating complex heterostructured nanoparticle libraries）

材料名称：金属硫化物

研究团队：美国宾夕法尼亚大学Schaak研究组  

具有明确限定材料和界面的复杂异质结构纳米微粒在很多应用中都是非常重要的。但要将这些特征合理地纳入具有严格形态控制的纳米颗粒，仍然是合成过程的一个瓶颈。Fenton 等人定义了一种模块化的发散合成策略，来逐步将简单的纳米微粒合成子转化为更加复杂的产物。并利用阳离子交换反应为零维、一维和二维硫化铜纳米微粒引入了一系列可调接口。对这些微粒内框架的后续处理产生了 47 种不同的异质结构金属硫化物衍生物构成的库，其中包括含有不对称、片状、多孔和雕刻纳米结构的微粒。这种泛化的混合匹配策略为复杂的纳米微粒特征提供了其他方法无法得到的可预测的逆向合成途径。（Science  DOI: 10.1126/science.aar5597）

3.用于水净化的具有纳米级图灵结构的聚酰胺膜

(Polyamide membranes with nanoscale Turing structures for water purification)

材料名称：聚酰胺膜

研究团队：浙江大学张林研究组

图灵结构的出现具有基础性的重要意义，设计这些结构并开发它们的应用在化学和生物学上具有实际效果。Tan 等人利用基于界面聚合的简便途径生成了用于水净化的图灵型聚酰胺膜。通过控制反应条件来控制形状，可以生成具有气泡或管状结构的膜。这些膜表现出优异的水-盐分离性能，超过了传统脱盐膜的上限线。此外，Tan 等人还展示了图灵结构中高透水性位点的存在，正是由于这些位点使通过膜的水输送得到了增强。（Science  DOI: 10.1126/science.aar6308）

4. 对等离激元诱导的单分子化学反应的实空间实时观测

(Real-space and real-time observation of a plasmon-induced chemical reaction of a single molecule)

材料名称：单分子

研究团队：日本理化研究组Kim研究组

吸附在金属纳米结构上的分子的等离激元诱导的化学反应引起了人们对光催化反应的更多关注。然而，由于等离共振场在金属表面附近强烈局域化，使得难以对等离共振场中的化学反应进行直接观测，因此该机制仍然存在争议。Kazuma 等人利用扫描隧道显微镜（STM）来实现对单分子水平上等离激元诱导化学反应的实空间实时观察。即，银和铜表面上的单个二甲基二硫分子被 STM 结处的光激发等离激元解离。STM 研究与理论计算相结合，表明了这种等离激元诱导的化学反应是通过直接的分子内激发机制发生的。（Science  DOI: 10.1126/science.aao0872）      

5. 具有用于大规模储能潜力的 Mn-H电池

(A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage)

材料名称：MnO2

研究团队：美国斯坦福大学崔屹研究组

包括锂离子电池、铅酸电池、流体电池和液态金属电池在内的多种电池，都有望成为大规模的储能设备。不过它们仍然存在一些无法满足大规模储能需求的问题，诸如成本高、循环寿命短、安全性不够可靠和能源密度不合理等影响成本和占地面积的因素。

Chen 等人报道了一种可再充电的 Mn-H 电池，其中阴极在可溶的 Mn2+ 与固体 MnO2 之间以双电子反应进行循环，阳极通过人们熟知的氧化和析氢的催化反应在 H2 气和 H2O 之间进行循环。该电池放电电压约为 1.3V，比率放电能力为 100 mA•cm-2（放电只需 36 秒），且充放电循环 10000 次性能不发生明显衰减。在 4 M MnSO4 电解液中，Chen 等人实现了质量能量密度约 139Wh•kg-1（理论约 174 Wh•kg-1），体积能量密度约 210 Wh•L-1（理论约 263 Wh•L-1）。Mn-H 电池涉及的材料成本低且储量丰富，具有大量用于大规模储能的潜力。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0147-7）

6. 合理设计单原子电催化剂的通用原理

(A universal principle for a rational design of single-atom electrocatalysts)

材料名称：单原子催化剂

研究团队：美国内布拉斯加大学和北京化工大学联合研究团队

开发用于电化学反应的高活性单原子催化剂是未来可再生能源技术的关键。Xu 等人提出了一种通用的设计原则来评估基于石墨烯的单原子催化剂对氧气还原、析氧和析氢反应的活性。研究结果表明，单原子催化剂的催化活性与中心金属的局部环境高度相关，即它的配位数和电负性以及最邻近原子的电负性，并通过实验数据进行了验证。更重要的是，Xu 等人发现这个设计原理可以扩展到金属-大环化合物。该原理不仅提供了设计具有特定活性中心的高活性非贵金属单原子催化剂的策略，例如用于氧还原反应的 Fe-吡啶/吡咯-N4；用于析氧反应的共-吡咯-N4；和用于析氢反应以取代贵金属 Pt/Ir/Ru 基催化剂的 Mn-pyrrole-N4，但也表明了大环金属化合物可用作基于石墨烯的单原子催化剂的替代物。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0063-z）

7. 二维 NbSe2 中的异常连续顺磁限制的超导相变

(An unusual continuous paramagnetic-limited superconducting phase transition in 2D NbSe2)

材料名称：二维 NbSe2

研究团队：美国康奈尔大学Mak研究组

时间反转和空间反转是传统 Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）超导的两个关键对称性。破缺反演对称性会引起混合平价 Cooper 配对和非常规超导性质。二维（2D） NbSe2 已经成为具有独特的面外或 Ising 自旋轨道耦合（SOC）的新型非中心对称超导体。Sohn 等人报导了对二维 NbSe2 中异常连续的顺磁限制超导体-正常金属转变的观察。通过在高平面磁场下利用调谐光谱，观察到了低温条件上临界场超导间隙的连续闭合，这与在 BCS 薄膜超导体中观察到的突变的一级相变形成了鲜明对比。由于Ising SOC 的原因，超顺磁相的大自旋磁化率引起了顺磁限制的连续转变。基于二维 NbSe2 的从头算能带结构的自洽平均场计算进一步支持了这一结果。Sohn 等人的研究结果，将使二维 NbSe2 成为一个探索新奇的自旋相关超导现象和设备概念（如等自旋 Andreev 反射和拓扑超导）的非常有前景的平台。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0061-1）

8. MoS2 中栅极诱导超导电性的隧道谱研究

(Tunnelling spectroscopy of gate-induced superconductivity in MoS2)

材料名称：MoS2

研究团队：瑞士日内瓦大学Morpurgo研究组

通过静电电荷积聚的栅极诱导超导电性的能力是物理学和纳米电子学领域的最新突破。除了 LaAlO3/SrTiO3 界面之外，栅极诱导超导体的实验主要局限于电阻测量，这些测量提供的关于超导态的信息非常有限。Costanzo 等人通过隧道谱来确定不同电子密度 n 的能量依赖态密度（DOS），从而探索 MoS2 中的栅极诱导超导。在超导状态下，DOS 在能量小于能隙Δ的情况下受到强烈抑制，n 约为 1×1014 cm-2 时为最大（Δ〜2 meV），对于 n 较大的时则单调递减。垂直磁场 B 在 E<Δ 处产生填充能隙的态，但超导起点的 20％ 的 DOS 抑制意外地远远高于传输临界场。相反，高达 10T 的面内场离开 DOS 也完全不变。Costanzo 等人的测量结果排除了 MoS2 中超导态是完全间隔的，并且揭示了 DOS 的存在随着能量线性消失，这一解释需要非传统的纯声子驱动的Bardeen-Cooper-Schrieffer机制以外的机理来解释。（Nature Nanotechnology  DOI: 10.1038/s41565-018-0122-2）