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歲末將至，2017年材料圈取得了哪些突破性進展呢？讓我們通過下面這20期精美的期刊封面來一窺究竟吧~

Nature

哈佛大學、馬里蘭大學研究組分別研發出時間晶體

Nature 543, 164–166 (09 March 2017) doi:10.1038/543164a

圖片作者：Peter Crowther

時間晶體是一種四維晶體，在時空中擁有一種周期性結構。可以將它看作是一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。2012年初，時間晶體的理論由諾貝爾物理學獎得主麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾澤克提出。這種奇特的物質曾被認為是違反物理規律而無法實現的，但來自哈佛大學和馬里蘭大學的兩個研究組各自研究出了這樣的「時間晶體」。

美國麻省理工學院Jeehwan Kim團隊在遠程磊晶與材料層轉移方面取得新進展

Nature 544, 340–343 (20 April 2017) doi:10.1038/nature22053

圖片作者：Felice C. Frankel (Nik Spencer繪)

晶體外延生長（磊晶）指的是讓底物表面再長出一層晶體，該技術在半導體生產中廣泛使用，但其成本仍將這一技術限制在了少數幾種材料上。研究人員通過在底物上放置單層石墨烯，使底物能像複印機一樣多次製造外延層，並轉移到其他需要的底物上。該技術或將有助於光子學上的異質結合與柔性電子器件的發展。

香港城市大學呂堅團隊成功研製出最強鎂合金

Nature Voi 545,(3 May 2017)doi:10.1038/nature21691

圖片作者：香港城市大學 Susanna Siu 和吳戈

香港城市大學的呂堅團隊將納米晶體與單相非晶態金屬玻璃的優勢結合起來，製備出了一種雙相材料——MgCu2納米晶粒包裹在非晶態玻璃殼中，得到迄今為止強度最大的鎂合金薄膜，這種合金的強度接近理論極限。封面是研究人員利用透射電鏡捕捉的超強鎂合金薄膜的微觀結構。

普林斯頓大學等在拓撲量子化學方面取得新進展

Nature 547, 298–305 (20 July 2017) doi:10.1038/nature23268

圖片作者：JVG

數學拓撲學的規則可以判斷材料屬性，但預測一種材料是否具有拓撲特徵是一項挑戰。迄今為止，物理學家只發現了幾百種「拓撲」化合物。在這個問題上，一組來自世界各地的物理學家、數學家和化學家共同提出了一個全新完整的理論，不僅能夠判斷哪些結構是拓撲非平庸的，而且還能利用它發現新的材料種類。

IBM沃森研究中心的研究人員在量子變分特徵值解算器方面取得新進展

Nature 549, 242–246 (14 September 2017) doi:10.1038/nature23879

圖片作者：CarlDe Torres

量子化學是量子計算機最有前途的應用之一。然而迄今為止，科學家只在實驗室環境下使用量子硬體對最小的分子系統進行了模擬。研究者們在超導量子處理器上實現了量子變分特徵值解算器模擬較大的分子系統。從而將量子化學計算的範圍擴展至氫化鋰（LiH）和氫化鈹（BeH2），還能應用他們的技術來解決量子磁性問題。

美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研究人員利用分子動力學模擬探測金屬塑性極限

Nature 550, 492–495 (26 October 2017) doi:10.1038/nature23472

圖片作者：AlexanderStukowski

這期封面所示為一張錯綜複雜的晶格缺陷（位錯線）網路，其運動使金屬鉭在壓縮狀態下流動。金屬塑性變形的全動態原子模擬在計算上非常苛刻，通常涉及中尺度近似。在這個問題上，研究人員展示了具有高達2.68億原子的全動態的原子級金屬塑性模擬，每個這樣的模擬產生大約2EB（1EB = 1018B）的數據。通過金屬塑性變形的全動態原子模擬發現，當達到一定極限條件時，變形孿晶成為代替其動態響應的主要模式。其流動應力和位錯密度達到一個穩定狀態，金屬就像一塊麵糰一樣可以被無限揉搓。

東京大學研究人員利用鈣泵晶體揭示蛋白質-磷脂相互作用

Nature 545, 193–198 (11 May 2017) doi:10.1038/nature22357

圖片作者：乘松良行（Yoshiyuki Norimatsu），豐島近

傳統的X射線結晶學方法無法顯示出膜磷脂，因此，人們在對膜蛋白進行結構分析時一般不得不假設脂質雙分子層不存在。研究人員利用X射線溶劑反差調變方法揭示出的鈣泵晶體中的脂質雙分子層。他們用這種方法描述了鈣泵的四種狀態，首次揭示了脂質雙分子層是如何積极參与鈣泵的連續構向轉變的。

加州理工大學研究人員利用DNA自組裝技術再現《蒙娜麗莎》

Nature 552, 67–71 (07 December 2017) doi:10.1038/nature24655

圖片作者：GRIGORY

使用二維DNA納米結構產生具有納米精度的表面圖案並非新技術，但是此前的尺寸大小一直局限於0.05平方微米左右——對於許多潛在應用來說太小了。這期封面是錢璐璐課題組利用DNA自組裝技術創造出來8.704像素的《夢娜麗莎》畫像，研究表明在一個多級加工過程中遞歸應用簡單的組裝規則，就可以利用一小組特別的DNA鏈創造出最大達0.5μm2的2D陣列。

Nature Materials

美國德州大學奧斯汀分校研究人員在金屬氧化物-半導體光電極方面獲得新突破

Nat. Mater., 2017, 16, 127-131, DOI: 10.1038/nmat4801

過去的十年中，用於生產太陽能燃料的硅基光電極受到廣泛關注。但是硅易腐蝕，這使得硅在作為光電極而應用時遇到了較大挑戰。美國德州大學奧斯汀分校的Li Ji等研究者利用局部介質擊穿（dielectric breakdown），提出了一個改善金屬-氧化物-半導體光電極性能的通用方法，可兼顧穩定性和效率，並且金屬氧化物層還可起到薄膜增透塗層的作用，增加光吸收效率。

加拿大多倫多大學Milica Radisic等研發出形狀記憶心肌材料

Nat. Mater., 2017, 16, 1038-1046, DOI: 10.1038/nmat4956

心臟修復通常需要使用創傷較大的手術來植入修復材料。加拿大多倫多大學Milica Radisic等人報道了一種可注射的形狀記憶心臟修復材料，在大鼠心肌梗塞模型中有與常規手術相似的效果。在大型動物模型（豬）中，這種基於可生物降解高分子的修復材料的微創植入也得到了驗證。

韓國全南國立大學Won Bin Im等研發出不易熱淬滅的藍光磷光體

Nat. Mater., 2017, 16, 543-550, DOI: 10.1038/nmat4843

磷光體轉換白光發光二極體是用於照明、高科技顯示器和電子設備的高效光源，目前所面臨的最大問題之一是磷光體的熱淬滅。韓國全南國立大學Won Bin Im等人報道了一種具有發光補償機制的藍光磷光體，即使在200 ℃下也沒有發生熱淬滅。

Nature Materials綜述：二維材料登上舞台

Nat. Mater., 2017, 16, 170-181, DOI: 10.1038/nmat4703

從過渡金屬二硫屬化物（TMDCs）到Xenes，以及它們與其他2D或非2D材料在范德華異質結構中的組合，這些層狀材料在近期的研究中展現出了引人矚目的基本性質，並拓寬了2D材料家族的應用範圍。美國西北大學的Mark C. Hersam等人綜述了新興的混合維度（2D + nD，其中n為0、1或3）范德華異質結構器件的現狀，以及面臨的挑戰和機遇。美國明尼蘇達大學的Tony Low等人則回顧了與層狀2D材料極化激元有關的新進展，並梳理了大量二維材料中的極化模式，及其光學光譜性質、品質因數和應用空間。

奧地利格拉茨技術大學和日本大阪府立大學研究人員快速製備出取向多晶MOF膜

Nat. Mater., 2017, 16, 342-348, DOI: 10.1038/nmat4815

製備金屬有機框架（MOF）的取向結晶膜是MOF應用於諸如光學、微電子學、微流體學和感測等領域的關鍵步驟。然而，直接合成具有受控晶體取向的MOF膜仍是一個重大挑戰。奧地利格拉茨技術大學的Paolo Falcaro和日本大阪府立大學的Masahide Takahashi等研究者，使用結晶氫氧化銅作為襯底，採用異質外延生長（heteroepitaxial growth）方法在溫和條件下一步快速製備厘米級的取向多晶MOF膜。

英國布里斯託大學Stephen Mann等在仿生細胞吞噬方面取得新進展

Nat. Mater., 2017, 16, 857-863, DOI: 10.1038/nmat4916

模仿生物系統複雜而有效的行為，是科學家們追求已久的目標。英國布里斯託大學Stephen Mann等人收到細胞吞噬作用（phagocytosis）的啟發，在合成原細胞中實現了自驅動的磁性Pickering乳液液滴選擇性地攝入稍小的氧化硅膠體。這種人工吞噬作用可以選擇性遞送和釋放膠體體中的水溶性「貨物」，還有可能與MPE液滴內的酶活性相偶聯。

中國科學技術大學俞書宏團隊開發出新型石墨烯海綿

Nature Nanotechnology 2017, Vol 12 No 5

中國科學技術大學化學與材料科學學院教授俞書宏團隊設計出一種具有原位加熱和油水分離功能的石墨烯海綿，降低了原油粘度並提高原油吸附速率（吸附時間降低了94.6%）。當海上石油泄漏時，短短几小時內，石油黏度就會增加上百倍，目前的疏水親油性質的多孔吸附劑材料難以快速吸附浮油。原位調節石油流變性並最終實現石油的快速清理是一個原創性的概念，能夠快速清理水面高粘度浮油的新紀元，未來的智能複合材料還可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重質石油或者瀝青。

英國劍橋大學和法國巴黎文理研究大學的研究人員在液態MOF方面取得新進展

Nature Materials 2017, Vol 16 No 11

當前MOF的研究幾乎都集中在晶體結構上。英國劍橋大學的Thomas D. Bennett和法國巴黎文理研究大學的Fran?ois-Xavier Coudert等人用中子和X射線散射研究了熔點之上的沸石咪唑酯骨架材料的結構和孔隙率，發現在形成MOF液體時，MOF的化學構型、配位鍵和孔隙都還仍然存在。

Science

北京大學劉開輝等開發出使米量級單晶石墨烯工業化製備成為可能的新技術

Science Bulletin, 2017, 62(15): 1074-1080

北京大學劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士、韓國蔚山科技研究所丁峰教授及其合作者實現了在工業銅箔上製備5×50 cm2大單晶石墨烯。他們發展了一種基於溫度梯度驅動晶界運動的技術，成功地把工業級多晶銅箔轉化成為單晶Cu(111)。利用單晶Cu(111)作為石墨烯生長的基底，他們實現了石墨烯的外延生長和無縫拼接，完成了在短時間內製備5×50 cm2的石墨烯單晶薄膜的突破，創造了石墨烯單晶尺寸的世界紀錄。該快速製備方法具備成本低廉和工業生產兼容等優點，為石墨烯單晶的大規模工業生產鋪平了道路。

捷克科學院物理研究所等利用電子衍射「看見」納米單晶中的氫原子

Science2017, Vol 355 Iss 6321

Palatinus等人報道了一種3D電子衍射技術，可以在從亞微米到納米尺度的晶體中直接定位氫原子。 研究人員利用三維電子衍射（3D ED）數據和結構精修演算法，實現了對電子束敏感的有機材料和部分無序的無機材料精細結構的確定，尤其是對氫原子的位置的確定。利用這種技術所得到的完整、具體的晶體結構，可以和一百萬倍大的晶體的X射線衍射（XRD）所得數據相媲美。該項工作揭示了晶體中其他原子的精確排列也可以直接被「看見」。利用電子衍射技術得到亞微米和納米尺寸晶體的結構信息的質量得以提高，多晶材料的結構解析精確度得到質的提升。

德國卡爾斯魯厄理工學院Martin Wegener團隊研究出三維手型超材料

Science. 2017, 358(6366): 1072-1074.

正如人們把具有超能力的人稱為超人一樣，人們把具有反直覺的特殊性能的人造材料稱為超材料。研究人員發明了一種三維手型超材料，隨著壓縮可產生左右扭轉。材料發生扭轉，往往意味著材料存在手性，也就是材料中某些結構單元的鏡像無法與其自身重合，就像人的左手和右手。在整個毫米級的樣品上，因為環形結構對力的傳導，受到擠壓的結構單元並沒有像常規材料那樣向四周膨脹，而是發生了扭轉。通過先進的三維激光微印製造技術，將這類結構單元進行堆疊之後，形成的宏觀材料仍然展現出了受力旋轉的特性。具有普通材料無法達到的機械性能，為開發具有不尋常變形行為的材料提供了的更可行的方法。

埃爾朗根-紐倫堡大學研究人員研發出更接近商業化的鈣鈦礦太陽能電池

Science 01 Dec 2017:Vol. 358, Issue 6367, pp. 1192-1197

鈣鈦礦太陽能電池的效率在幾年內從單位數字上升到了22.1％。在目前發展階段的關鍵問題是如何進一步提高效率和長期穩定性，YiHou等人報道了一種無離子摻雜的新型有機空穴傳輸層，使鈣鈦礦太陽能電池在成本、穩定性和效率之間得到平衡，從而更接近商業化。研究人員使用Ta摻雜的WOx/共聚物組成的HTM界面傳輸層（PDCBT/Ta-WOx）可以形成quasi-ohmic接觸，有效降低界面勢壘，阻止Au遷移，結合使用C60單層自組裝膜（C60-SAM）作為電子傳輸層可以，使得新型的鈣鈦礦太陽能電池效率可達21.2%，穩定運行超過1000小時。

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