《自然》《科学》一周(10.26-11.01)材料科学前沿要闻

来源:新材料在线

1.有机金属钯试剂用于半胱氨酸生物偶联

 

(Organometallic palladium reagents for cysteine bioconjugation)

基于过渡金属的催化反应在有机合成中应用非常广泛,特别是在小分子的修饰方面。不过,很少有报道使用过渡金属来修饰复杂的生物分子。这主要是因为生物分子中有多种反应官能团,且反应条件苛刻(如水介质、低温、温和的 pH 值)。 Vinogradova 等人报道了一种新型钯催化剂,可以在生物适宜的反应条件下,高效、高选择性的催化半胱氨酸进行共轭反应。这种钯试剂合成路线简单,具有高度实用性,可以为蛋白质的修饰带来很大空间。生成的产物在酸、碱、氧化剂等条件下都稳定。作者称,这种钯催化剂展示了在合成生物共轭材料方面的巨大潜力。(Nature  doi : 10.1038 / nature 15739 ) 

2.固态锂超离子导体的设计原则

(Design principles for solid-state lithium superionic conductors) 

在锂离子电池中,相比于有机电解质,锂固态电解质有两方面的优势,一方面它有更低的易燃性,另一方面它有更好的电化学稳定性。不过,要使固态锂离子电导率达到液态电解质的水平(>1mS cm-1)是非常困难的。 Wang 等人揭示了快速 Li 传导材料中阴离子排列与离子传输之间的关系,以及利于锂离子传导的理想结构。他们发现,体心立方的离子骨架是获得高离子电导率的最理想结构,因为这种结构有利于锂离子在相邻的四面体间隙中跃迁。这些发现使科学家们更深入的认识锂离子导体中的离子传输过程,并为未来设计锂固态电解质指明了方向。(Nature Materials  DOI : 10.1038 / NMAT 4369 )

3.大面积、高质量2D超薄Mo2C超导晶体

(Large-area high-quality 2D ultrathin Mo2C superconducting crystals)

过渡金属碳化物(TMCs)是一大类材料,具有很多有趣的性质。高质量的 2D TMCs 材料对研究其物理现象和性质是非常重要的。不过,目前得到的 2D TMCs 材料均是由化学方法合成的纳米片,其最大的横向尺寸不超过 10 微米,并且还有缺陷。 Xu 等人报道了通过化学气相沉积法(CVD)制备大面积、高质量的 2D 超薄 Mo2C 晶体。晶体仅有几纳米厚,大小超过 100微米,并且在大气环境下非常稳定。晶体展现了超导相变的 2D 特性,同时还有磁场下的强各向异性特性。晶体的超导性强烈的依赖于晶体厚度。他们开发的这种 CVD 技术还可以制备其他高质量 2D TMC 晶体,例如超薄 WC 和 TaC 晶体,这将有助于扩展 2D 材料体系。(Nature Materials  DOI : 10.1038 / NMAT 4374 )

4.有机半导体在真空场中的电导率

(Conductivity in organic semiconductors hybridized with the vacuum field)

过去十多年中,提高有机薄膜晶体管迁移率的努力大多集中在优化材料与器件的结构上。Orgiu 等人尝试了一种完全不同的办法,他们将载流子注入到与真空电磁场杂化的能态中。为了证明这一想法,他们将有机半导体强烈耦合到等离子体模式,形成了分布达到 105 个分子的相干状态。实验结果证明,在耦合状态下,电流提升了一个数量级,这主要来自于场效应迁移率的变化。他们的实验结果证明,可以通过控制真空电磁场环境来调节并提高材料的性质。(Nature Materials  DOI : 10.1038 / NMAT 4392 ) 

5.通过LiOH的形成和分解来驱动循环Li-O2电池

(Cycling Li-O2 batteries via LiOH formation and decomposition)

可充电锂-空气(Li-O2)电池有很大潜力成为下一代储能技术,不过它的实际应用还有许多挑战。一般的 Li-O2 电池是通过形成 Li2O2 来驱动循环的。 Liu 等人报道了一种新方法,他们以还原氧化石墨烯为电极, LiI 为添加剂,乙二醇二甲醚为溶剂来制备新型电池。这种电池在充放电的过程中可以可逆的形成或分解 LiOH 晶体。这使得电池具有很高的比容量、极佳的储能效率(93.2%)和充放电性。电池可以容忍高浓度的水,水是生成 LiOH 的主要质子源,此外, LiI 的加入也对电池的性能有巨大影响。(Science  DOI : 10.1126 / science.aac 7730 ) 

6.以无机材料作为电荷提取层的高效、稳定、大面积钙钛矿太阳能电池

(Efficient and stable large-area perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers) 

最近,钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量转化效率(PCEs)的快速增长吸引了全球科学家的目光。不过,高的PCE也常常伴随着低的稳定性以及较小的光照面积(小于0.1cm2)。 Chen 等人在平面 PSC 中以重掺杂的无机材料作为电荷提取层,实现了超快的电荷提取。电荷提取层可以做到 10-20nm 厚,并且可以有效避免在大面积状态下出现的针孔缺陷。基于这种材料制备的PSCs 器件面积在超过 1cm2 的条件下能量转化效率也可以达到 15% ,并且这一数据经过了专业机构的认证。(Science Express  DOI :10.1126 / science.aad 1015 ) 

7.液晶聚合物网络和弹性体的可设计及可适应机械结构

(Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymernetworks and elastomers) 

液晶是当今社会广泛应用的一项技术。不过,随着显示器的逐渐商品化,企业、政府、学术界的科研工作者们日益将兴趣转移到具有聚合物形态的液晶分子上,以发掘其特殊并有用的性质。 White 等人就聚合物液晶材料撰写了相关综述。他们回顾了聚合物液晶材料的发展史,着重介绍了材料在受热和光照条件下的宏观力学响应。在此框架内,他们还阐述了液晶相比于其他类似材料的优势。最后,他们展望了未来会面临的挑战以及近期的一些应用前景。(Nature Materials  DOI : 10.1038 / NMAT 4433 ) 

8.电沉积非均质金属-绝缘体-半导体结用于高效光催化裂解水

(An electrodeposited inhomogeneous metal–insulator–semiconductorjunction for effcient photoelectrochemical water oxidation) 

用光电化学法裂解水制氢气和氧气需要有半导体来吸收光子产生电子-空穴对,还需要有催化剂来提高电子在从半导体向溶液中转移的动力。一个重要的问题是,催化剂如何能有效影响半导体中的能带弯曲,进而提高光生电压。 Hill 等人报道了一种简单、廉价的电化学沉积法,来制备用于光催化裂解水的高效的 n-Si/SiOx/Co/CoOOH 光阳极。这个光阳极作为一种固态、金属-绝缘体-半导体光电池,与低过电压的水裂解电化学电池串联在一起。势垒高度与 Co的覆盖范围相关,厚膜下势垒为 0.74eV ,薄膜下势垒提升到 0.91eV 。这种更大的 势垒使得最终的光生电压提高了360mV。(Nature Materials  DOI : 10.1038 / NMAT 4408 )