《自然》《科学》一周（6.12-6.18）材料科学前沿要闻

2017-06-26 15:26:37 作者：本网整理来源：新材料在线分享至：

1. 金属锂中的量子化和同位素效应

Quantum and isotope effects in lithium metal

零压力和温度下元素的晶体结构是凝聚态物理学中最基本的信息。数十年来一直认为最简单的金属元素锂具有复杂的基态晶体结构。通过对金刚石砧座中使用同步加速器 x 射线衍射和结合密度泛函理论与分子动力学的多尺度模拟，Ackland 等人表明以前接受的马氏体基态是亚稳态。实际的基态是面心立方（fcc）。其中发现，在相似的热路径下，锂的同位素在马氏体转变温度方面表现出相当大的差异。作为结构由量子效应主导的氦和质量较高的元素之间的金属中间体，锂展现出了核量子力学效应。通过解开量子动力学复杂度，Ackland 等人证明了 fcc 锂是基态，并通过降压合成了它。（Science DOI: 10.1126/science.aal4886）

2. 来自室温下光学机械腔的量子相关性

Quantum correlations from a room-temperature optomechanical cavity

位置测量的行为会改变被测物体的运动。这种量子测量的反作用通常比室温下物体的热运动要小得多，因此难以观察。通过使激光通过纳米机械束，Purdy 等人测量了光束的热驱动振动，并以由海森堡测量-扰动不确定性关系决定的光学力波动来扰动其运动。由此展示了一种互相关技术，来将光驱动与热驱动运动区分开来，从而将观察量子反作用标志提升到室温。利用由基本常数确定的量子关联规模来测量热运动的大小，证实了以量子机械校准标度达到绝对温度测量的途径。（Science DOI: 10.1126/science.aag1407）

3. 打破洛伦兹互易来克服物理与工程中的时间带宽限制

Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering

物理与工程学中有个上百年的理念主张认为，任何一个具有带宽 Δw 的系统都可以在一个与带宽成反比（Δt·Δw?2π）的受限时间段 Δt 内与波相互作用。这个定律严格限制了光子学、腔体量子电动力学、光力学、声学、连续介质力学以及原子和光学物理学中所有类型的谐振和波导系统的一般能力，但这被认为是源于基本的傅里叶互易且是基础的定律。Tsakmakidis 等人建议在洛伦兹互易被破坏的系统中可以消除这个“基础的”限制。随着系统的输运特性越来越不对称，可以超过限制的程度也越来越大，并且从理论上证明了如何在一个精心设计的磁化半导体异质结构中，通过使用现实的材料参数来超过上述极限一个数量级。这项研究结果修改了线性、时间不变共振系统的一般模式，挑战了高质量谐振必须总是窄带宽的原则，并提供了开发具有前所未有的高带宽性能器件的可能性。（Science DOI: 10.1126/science.aam6662）

4. 基于极性匹配的交叉耦合实现选择性 sp3 C-H 烷基化

原标题：Selective sp3 C-H alkylation via polarity-match based cross coupling

碳-氢键（C-H）的官能化是对有机化学中分子结构最有吸引力的方法策略之一。氢原子因在有机分子中的较大丰度以及在合成序列中几乎任何阶段官能化都有效的优点，被认为是理想的耦合柄。尽管许多 C-H 官能化反应涉及 C（sp3）-C（sp2）耦合，但对 C-H 烷基化反应的需求还是日益增长，其中的 sp3 C-H 键被 sp3 C-烷基所取代。Le 等人通过光氧化、镍和氢原子转移催化的组合，叙述了基于极性匹配的选择性 sp3 C-H 烷基化。该方法同时使用三个催化循环来实现氢化 C-H 键的取代（通过极性匹配实现）、烷基卤化物氧化加聚和还原消除，从而实现烷基-烷基片段的耦合。sp3 C-H 烷基化对于胺、醚和硫化物的α-C-H 是高选择性的，这在药学相关结构中比较常见。这种交叉耦合方案有机会使在从头合成和后期官能化化学中广泛的合成应用成为可能。（Nature DOI: 10.1038/nature22813）

5. 电化学应变显微镜探测有机电化学晶体管中离子吸收和性能的形态诱导变化

Electrochemical strain microscopy probes morphology-induced variations in ion uptake and performance in organic electrochemical transistors

有机半导体材料中的离子传输现象支持了从生物电子到能量存储范围的新兴技术。这些系统的性能受到的来自有机半导体独特的薄膜形态、离子输运和电子传输的相互作用的影响，但还都不甚了解。Giridharagopal 等人使用原位电化学应变显微镜（ESM），证明了可以通过测量半导体电化学氧化后的离子吸收的亚纳米体积膨胀来直接探测聚合物器件中离子迁移的局部变化。ESM 数据显示，聚（3-己基噻吩）电化学器件表现出与器件运行和电致变色相一致的电压依赖性异相膨胀。数据显示，聚合物半导体可以同时显示出场效应和电化学运作环境，其运作模式及其分布随着纳米尺度膜的形貌、离子浓度和电位的变化而变化。重要的是，通过将应变异质性与局部刚度图相关联提供了对结构-功能关系的直接测试。这些数据表明，离子吸收的纳米尺度变化与聚合物填料的局部变化有关，这可能会阻碍离子在相同的宏观膜内不同程度的迁移，并且可以为将来的材料优化提供信息。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4918）

6. 非平衡赝晶体中出现的束缚光子带隙

Emergence of an enslaved phononic bandgap in a non-equilibrium pseudo-crystal

远离热力学平衡的材料体系具有能展现出类似生物体的动力学性质和性能的潜力。Bachelard 等人实现了一种非平衡材料，其特征在于有个带隙受到外部相干驱动的波长的支配。该结构能够动态自组装成一个非常规的元素之间动量平均分配的赝晶体几何。新出现的带隙具有类生物的特性，例如自我修复的能力且能适应驱动的突然变化。他们最后还得出了空间组织和带隙特征的确切解析解，并揭示了这种束缚的机制。这项工作提出了构想类生物非平衡材料的框架，并强调了通过外部自由度动态决定材料性质的潜力。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4920）

7. 在射频加热的多离子等离子体中高效地产生高能离子

Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating

Kazakov 等人描述了在多离子等离子体中利用电磁离子回旋加速波高效地产生高能离子的新技术。所讨论的“三离子”情景特别适用于非常低数量的谐振离子的强波吸收。为了观察这种效果，必须根据理论规定适当调整等离子体组成。Kazakov 等人在世界上最大的等离子体磁约束装置 JET（欧洲联合环状反应堆，英国卡勒姆）和高磁场托卡马克 Alcator C-Mod（美国剑桥）上展示了该方法的潜力。获得的结果证明了 3He 离子能够在专用氢氘混合物中高效地加速到高能量。同时，因为高速 3He 离子的减速，而观察到了高效的等离子体加热。这项开发的技术不仅仅限于实验室等离子体，还可以用于解释在空间-等离子体环境中的高能离子的观测，特别是对 3He 丰富的太阳耀斑的观测。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4167）

8. 用于长循环寿命水溶液充电电池的通用醌电极

Universal quinone electrodes for long cycle life aqueous rechargeable batteries

水溶液充电电池具备电网蓄电和车辆运行所需的安全性、稳健性、可靠性和环境友好性，但由于阳极材料的结构和化学不稳定，导致它们的循环寿命不高。Liang 等人利用醌结构稳定的离子配位电荷存储机制和对水溶液电解质的化学惰性，将其作为稳定的阳极材料。在合理选择/设计醌结构后，Liang 等人展示了与工业上建立的阴极和电解质相结合的三种系统，其展现出长循环寿命（高达 3,000 个循环/ 3,500 小时），快速的动力学（≥20 C），高阳极比容量（高达 200-395 mAh·g^-1），以及对于多种 pH 值（ -1~15 ）的最高水平比能/能量密度（高达 76-92 Wh·kg-1/ 161-208 Wh·l-1），载流子种类（H⁺，Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg2⁺），温度（-35~25℃）和气体环境（含/不含氧气）的几个例子，这些优异特性使其成为任何水溶液电池技术通用的阳极方法。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4919）