《自然》《科学》一周(10.19-10.25)材料科学前沿要闻

来源:新材料在线

 

1.纯有机电致发光材料实现100%电光转化效率

 

(Purely organic electroluminescent material realizing 100% conversionfrom electricity to light)

高效的有机发光二极管常包含稀有金属,如铂或铱。因此,开发原料丰富易得的有机发光材料十分迫切。 Kaji 等人报道了一种基于热激发延迟荧光的有机发光材料,这种材料可以同时实现接近 100% 的光致发光量子效率以及接近 100% 的三线态到单线态上转换效率。材料以二苯基氨基咔唑为电子给体,以三苯基三嗪为电子受体。接近于零的单线态-三线态带隙使得以其制备的有机发光二极管的外量子效率达到 29.6% ,此外通过进一步的光学优化,外量子效率可以提升到 41.5% 。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9476 )

2.薄层黑磷中观察到各向异性的面内热导率

(Anisotropic in-plane thermal conductivity observed in few-layerblack phosphorus) 

黑磷作为一种新型的二维材料,在电子和光电子器件方面有很大的应用潜力。 Luo 等人通过微拉曼光谱仪发现,悬浮的薄层黑磷中面内热导率是各向异性的。当黑磷的厚度大于 15nm时,扶手方向与之字方向的热导率分别为 ~20 和 ~40Wm-1K-1 ;当厚度降低时,这两个方向的热导率也分别降低到 ~10 和 ~20 Wm-1K-1 ,显示出明显的各项异性。理论模拟表明,这种各向异性的热导率主要是由于材料中声子色散的各向异性性引起的。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9572 )

3.石墨烯纳米褶皱中的一维电子束缚

(Structurally driven one-dimensional electron confinement in sub-5-nmgraphene nanowrinkles) 

石墨烯基的碳纳米材料,如富勒烯、碳纳米管等,因其特有的维度和几何结构而具有独特的电学特性。具有类一维结构的石墨烯褶皱存在于石墨烯片中。不过,由于尺寸较大,石墨烯褶皱的一维电学性质还尚未有人研究过。 Lim 等人发现,石墨烯纳米褶皱具有独特的电学性质。由于生长于 Ni(111)衬底上,石墨烯褶皱的尺度小到足以产生一维的电子束缚。通过空间分辨扫描隧道显微镜可以发现石墨烯褶皱中的带隙开口以及一维的范霍夫奇点。这一发现使得可以实现在单层石墨烯片中制备金属-半导体金属结。石墨烯中一维电子束缚的发现证明,不仅能通过化学修饰来改变石墨烯的性质,还可以通过调节“机械结构”来实现这一目标。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9601 )

4.多材料磁场辅助3D打印

(Multimaterial magnetically assisted 3D printing of composite materials) 

3D 打印技术在制造业中已经越来越普及,用来制造不规则的物体。最近的发展已经使得打印技术可以同时打印多种材料,这大大增加了 3D 打印的应用范围。 Kokkinis 展示了一种新技术,在喷墨打印的过程中可以控制材料的空间取向。粒子空间取向的控制是通过施加外在的低强度磁场,而材料中本身已经添加了磁性物质。多材料分散以及二组分混合增加了对局部组成的控制。作者称,这种多材料磁场辅助 3D 打印技术(MM-3D pringting)为制造具有特殊微观结构的多功能材料打开了一扇新的大门。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9643 )

5.在氮掺杂的石墨烯中添加钴原子用来催化制氢

(Atomic cobalt on nitrogen-doped graphene forhydrogen generation)

通过电催化作用将水还原成氢气在制造清洁能源方面具有巨大潜力,不过,这种技术的大规模应用依赖于开发廉价、高效的催化剂来代替早前使用的钯类催化剂。 Fei 等人报道了一种氮掺杂的石墨烯电化学催化剂,其中钴原子作为原子级的添加剂分散在催化剂中。这种催化剂十分稳定、高效,并且具有很低的过电压(30mV)。各种分析测试表明,起到催化作用的活性位点在与氮配位的金属原子上。这种不寻常的材料组成为开发新型高效的单原子催化剂开辟了新路径。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9668 )

6.通过3D磁性印刷技术设计仿生复合加固材料

(Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing) 

不连续纤维复合材料是一类具有高强度、轻质量、高断裂韧性的材料,广泛的应用于多个领域。不过,很多自然界中的很多材料要比人工合成的类似物性能更好,部分原因是因为天然材料有更精细的增强体结构。 Martin 等人报道了一种增材制造的方法,将实时胶体组装与现有的增材制造技术结合到一起,可以制备高度可控的不连续纤维复合材料。这种技术(又名3D磁性印刷)使得我们可以重现复杂的生物增强体结构,进而获得比单一结构更加优异的材料性能。此外,他们还可以设计自然界中不存在的增强体结构,证明了这种技术的高度可设计性。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9641 )

7.薄层镍基氢氧化物包裹硫元素用于长效锂-硫电池

(Encapsulation of sulfur with thin-layered nickel-based hydroxidesfor long-cyclic lithium–sulfur cells)

用于锂-硫电池的硫元素阴极目前仍在研究阶段,因为它的容量和循环性还不能满足需求。循环过程中的容量衰减是由于阴极区域的聚硫化锂不断的向外扩散。为了防止某些可溶性组分的损失以及延长电池的使用寿命,对硫元素进行有效包裹是很有必要的。 Jiang 等人报道了一种有效的方法,利用薄层镍基氢氧化物来包裹硫元素。除了作为物理保护层之外,这种氢氧化物薄膜还可以与锂进行化学反应,生成具有高离子透过性的保护层,最终可以大幅提高电池性能(接近 100% 的库伦效率, 500 个循环容量不衰减)。作者称这种包裹方法以及对氢氧化物工作机理的认识有助于开发可实用化的锂-硫电池。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9622 ) 

8.类似沸石状的液态晶体

(Zeolite-like liquid crystals) 

沸石代表一类具有复杂多孔结构的无机固态材料。最近,化学合成网状的有机固态材料取得了很大进展,如金属-有机骨架。 Poppe 等人将这方面的工作又向前推进一步,他们首次报道了一种具有类似沸石骨架的液体材料。这种独特的自组装液晶结构可以组成五边形的棒状通道,在某些沸石材料中也可以观察到这种结构。这种液态杂化结构具有正向和反向的各向异性性,因此有潜力控制材料的各向异性的光学、电学和磁场特性。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9637 )