《自然》《科学》一周（5.15-5.21）材料科学前沿要闻

1. 多晶薄膜中单晶粒缺陷动力学的布拉格相干衍射成像

（Bragg coherent diffractive imaging of single-grain defect dynamics in polycrystalline films）

多晶材料的性质取决于其晶粒的分布和相互作用。特别是，晶界和缺陷对于确定晶体对外部激励的反应至关重要。因此，观察功能材料内的各种晶粒、缺陷和应变动态是长期存在的挑战。Yau 等人报导了一种能够揭示晶粒非均质性包括应变场和单个位错在内的技术，这项技术可以在反应性环境中的原位条件下应用：晶粒布拉格相干衍射成像（gBCDI）。利用经受加热的多晶金薄膜，Yau 等人展示了 gBCDI 如何以 10 纳米的空间分辨率和亚埃级位移场分辨率在三维细节上解析单个晶粒中的晶界和位错动力学。这些结果为理解外部激励下的多晶材料响应和理论上设计特定功能铺平了道路。（Science DOI: 10.1126/science.aam6168）

2. 椭圆偏振光激发增强石墨烯中的高次谐波产生

(High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation)

石墨烯具有的电子性质，使其可以产生一系列非线性光学响应。最理想的非线性光学过程之一是源自强光场引起的相干电子运动的高次谐波产生（HHG）。Yoshikawa 等人报导了在室温下由中红外激光脉冲激发的石墨烯中高达九次谐波的观察情况。石墨烯中的 HHG 被椭圆偏振激光激发增强了，而且所得到的谐波辐射具有特定的极化。所观察到的椭圆率依赖性是通过固体中 HHG 的全量子力学处理再现的。零带隙性质导致了石墨烯中 HHG 的独特性质，Yoshikawa 等人的研究结果揭示了探讨无质量狄拉克费米子的强场和超快速动力学与非线性特征的可能性。（Science DOI: 10.1126/science.aam8861）

3. 用于高能效脱水的水解稳定的氟化金属-有机框架

（Hydrolytically stable fluorinated metal-organic frameworks for energy-efficient dehydration）

天然气在运输和使用之前必须脱水，但是，常规的干燥剂如活性氧化铝或无机分子筛需要十分耗能的干燥剂再生步骤。Cadiau 等人报导了水解稳定的氟化金属-有机框架 AlFFIVE-1-Ni（KAUST-8），在狭小方形一维通道内具有开放金属配位点和氟基的周期性阵列。该材料可以选择性地从含有 CO2、N2、CH4 和天然气的典型高级烃的气流中除去水蒸汽，以及在含 N2 气流中选择性地除去 H2O 和 CO2。AlFFIVE-1-Ni 吸附剂所吸附的水分子完全解吸需要相对适中的温度（〜105℃），以及相对于常用干燥剂约一半的能量输入。（Science DOI: 10.1126/science.aam8310）

4.三维 Ca2+ 成像促进对星形胶质细胞生物学的理解

（Three-dimensional Ca2+ imaging advances understanding of astrocyte biology）

通常通过二维钙离子（Ca2+）成像对星形胶质细胞的通信进行研究，但该方法尚未得出关于星形胶质细胞在突触和血管功能中作用的决定性数据。Bindocci 等人开发了三维双光子成像方法，并研究了整个星形胶质细胞体内包括在轴突-星形细胞相互作用过程中的Ca2+动力学。在清醒小鼠以及脑切片中，发现单个星形胶质细胞中的Ca2+活动分散在整个细胞中，主要分布在区域之间，区域内主要是局部区域，并且在区域和局部是不均匀分布。在此过程和终端都显示了钙离子在星形胶质细胞中有频繁的快速活动，而体细胞中是活跃频率较低的。在清醒的小鼠中的Ca2+活性高于脑切片中，特别是在终端和过程中，并且显示出偶尔的多灶性细胞活动。星形胶质细胞对时间相关的Ca2+点的最小轴突发射有局部响应性。（Science DOI: 10.1126/science.aai8185）

5. 一种固态单光子滤波器

（A solid-state single-photon filter）

线性光学量子计算的一个较强的局限性是基于不可区分的光子聚结的双量子位门的概率运算。实现确定性操作的一个途径是利用原子跃迁的单光子非线性。通过原子光子相互作用调控，已经用中性原子证实了移相器、光子滤波器和光子-光子门。半导体量子点的概念证明已有报道，但仍然受到低效的原子-光子界面和相位失真的限制。Santis 等人报导了一种在接近最佳量子点腔界面中的单光子水平的大型光学非线性高效单光子滤波器。当用相干光波段探测时，该器件显示出了约0.3±0.1个入射光子的最佳非线性阈值。Santis等人还证明了 80％ 的直接反射光强度由单光子 Fock 状态组成，并且与单光子相比，二和三光子分量被强烈抑制了。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.85）

6. 纳米机械谐振器中与能量相关的耗散路径

（Energy-dependent path of dissipation in nanomechanical resonators）

能量衰减在诸如光发射、核裂变和量子系统中的耗散等很多现象中起着核心作用。能量衰减通常被描述为系统将能量不可逆地泄漏到外部环境中。Güttinger等人报导了基于多层石墨烯的纳米机械系统中的能量衰减测量。随着振动模式的能量自由衰减，能量衰减速率会突然变化到较低的值。这一发现可以通过测量模式与在高能量下谐振器的其它模式混合的模型来解释。低于阈值能量时，模式是分离的，这会导致相对较低的衰减率和超过 100 万的巨大质量因子。Güttinger 等人的工作开辟操纵振动状态、利用完全不同的频率下的机械模式调控混合状态，以及研究这个高可调系统的集体运动的新的可能性。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2017.86）

7. 多铁性材料中的巨型热霍尔效应

（Giant thermal Hall effect in multiferroics）

介电和磁有序共存并相互耦合的多铁磁性材料重新引起了人们对其相互关联现象的关注，为研究很多新功能提供了基础性的平台。如电磁振子和磁热传输这种系统中的基本激发受到晶格-自旋相互作用的强烈影响。Ideue 等人报导了多体系中磁性和声子之间的空前耦合，即巨型热霍尔效应。绝缘极性磁体 （ZnxFe1-x）2Mo3O8 的热传导由声子控制，但对磁性结构非常敏感。特别是在亚铁磁相中观察到大的热霍尔电导率，表明了非常规的晶格-自旋相互作用和新的用于绝缘体中霍尔效应的机制。研究结果表明，多层材料的热霍尔效应可以成为强晶格自旋相互作用的有效探针，并为磁流控制热电流提供了新的工具。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4905）

8.可印刷的含Ag纳米粒子弹性导体

（Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes）

可印刷弹性导体有希望用于医疗保健、可穿戴设备或机器人所需的大面积可拉伸的传感器或致动器网络。具有金属纳米颗粒的弹性体是实现高性能的最佳方法之一，但是其大面积利用受到加工困难的限制。Matsuhisa 等人报导了一种可印刷的弹性导体，其中含有 Ag 纳米颗粒，仅通过混合微米尺寸的 Ag 薄片、氟橡胶和表面活性剂便可原位形成。这种可印刷弹性复合材料在 0％ 应变下表现出高于 4000 Scm-1（最高值：6,168 Scm-1）的电导率，当拉伸至 400％ 时，其导电率为 935 Scm-1。Ag 纳米颗粒的形成受表面活性剂、加热过程和弹性体分子量的影响，能够导致电导率的急剧提高。最后，他们还展示了用于可伸缩机器人的全印刷传感器网络，即使拉伸超过 250％，也能精确地检测压力和温度。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4904）