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《自然》《科學》一周(08.01-08.07)材料科學前沿要聞

關鍵詞 自然 , 科學 , 材料科學 , 新材料|2016-08-08 09:37:33|來源 新材料在線
摘要 1.無電池可伸縮光電系統(Battery-free,stretchableoptoelectronicsystemsforwirelessopticalcharacterizati...
  1. 無電池可伸縮光電系統
 ?。˙attery-free, stretchable optoelectronic systems forwireless optical characterization of the skin)
  材料、機械和電子器件設計方面的最新研究進展,迅速建立起了健康監測技術的基礎。這些健康監測技術具有“類皮膚”特性,并且可以長期整合在表皮上。因為接口與皮膚密切接觸,由此帶來的生理探測能力遠超過傳統硬件電子系統(如:腕戴設備)。然而,新興的這類器件大多需要電池或者線路連接才能使之工作。
  Jeonghyun等人介紹了一種敏感的光電系統,其功能的實現不需要電池且完全工作于無線模式,例如:用于皮上多波長光學特性的纖薄可伸縮平臺設計。磁感耦合和近場通信(NFC)為彩色發光二極管和用于數據提取的集成光電探測器提供電能,其中光電探測的方式能夠兼容具備標準NFC功能的平臺,例如智能手機和平板電腦。監測心率和動脈血流動態、量化組織含氧量和紫外線放射量以及進行四色光譜測量這等例子,證明了這一理念的通用性。(Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600418)

  2. 對拉伸負荷下鎳鈦絲的局部形變
 ?。℅rain-resolved analysis of localized deformation innickel-titanium wire under tensile load)
  拉伸的鎳鈦形狀記憶合金過程中,局部形變的宏觀鋒面上的擴展產生應力,從而誘導馬氏體相變。
  Sedmák等人使用微米級分辨率的三維同步加速X射線衍射圖像研究了預先拉伸鎳鈦絲中奧氏體的彈性應變和應力。衍射圖像可以清晰地看到奧氏體在拉伸方向上的晶粒變化。研究發現:奧氏體晶粒內的局部應力的改變發生在馬氏體相變初始鼻錐形掩埋界面之前。錐形界面處升高的剪切應力解釋了為什么會出現局部形式的馬氏體轉變。他們通過有限元模擬局部形變的方式,建立了鎳鈦絲從單個晶粒的應力到連續宏觀的內部應力場的交叉過程,并合理解釋了實驗上觀察到的內部應力場和宏觀鋒面上的拓撲結構。(Science DOI: 10.1126/science.aad6700)

  3. 凍結渦環的方式量產成形顆粒
 ?。∕ass production of shaped particles through vortex ringfreezing)
  渦流環是環面形流體漩渦。在其形成過程中,流體從球形到環形經過了豐富多樣有趣的幾何中間體。這些連續變化的中間體可以通過控制時間點使其“凍結”在各種形狀,形成新奇和奇特的顆粒狀態。這些新型的渦環衍生顆粒,可以通過采用簡單且廉價的電噴霧技術來大量生產,并且它們的尺寸在幾百微米到毫米之間可以比較精確地控制。通過理論分析和層狀多相流體流動仿真的進一步引導,這種凍結方法適用于從有機多糖到無機納米顆粒的范圍十分廣泛的材料中。在包括細胞封裝、三維細胞培養和無細胞生成蛋白質這些應用中,這些渦環源性粒子具有獨特的優勢。此外,這些新型粒子條狀分割排列和有序展開結構兩種組合形式都可以實現,為設計更加復雜的分層材料創造了良好的機會。(Nature communications DOI:10.1038/ncomms12401)

  4. 電場誘導增強電催化還原CO2
 ?。‥nhanced electrocatalytic CO2 reduction via field-inducedreagent concentration)
  由二氧化碳(CO2)到一氧化碳(CO)的電化學還原,是利用可再生電能合成更加復雜的碳基燃料和原料的第一步。不巧的是,由于典型的CO2還原反應催化劑周圍局部CO2濃度較低,致使反應過程很慢。眾所周知,堿金屬陽離子與吸附的反應物通過非公價相互作用來克服這種限制,但是其催化效果受到相關的鹽溶解度的限制。施加大的電極電壓也可以提高CO2的吸附,但是這同時伴隨氫氣(H2)產量的增加。
  Liu等人在較低過電勢時,納米結構的電極產生了聚集電解質陽離子的局部高電場。這一電場反過來產生了CO2還原反應表面的高局域CO2濃度。模擬結果表明:納米金屬尖端能產生高于準平面電極10倍的電場。利用金納米針進的測試證實了電場誘導反應物濃度可以使CO2還原反應在-0.35V(過電勢為0.24V)時進行,CO幾何電流密度為每平方厘米22mA/cm2。該性能相比于最好的金納米棒、納米顆粒和貴金屬氧化物催化劑的性能要高出一個數量級。(Nature DOI: 10.1038/nature19060)

  5. 用于隨控釋放載物的機械化偶氮苯功能化有機鋯金屬框架
 ?。∕echanized azobenzene-functionalized zirconiummetal-organic framework for on-command cargo release)
  最近,刺激響應型金屬有機框架(MOFs)因其在許多領域具有的應用潛力受到日益增加的關注。
  Meng等人展示了一種帶有光敏性偶氮基群的水穩鋯MOF。這種特殊MOF可以用作水中載體存儲的貯存器,并且裝載了載體的MOF可以通過在MOF表面上β-環糊精和偶氮苯莖的結合進一步構造成機械化的MOF。這種機械化MOF可以通過紫外線照射或者添加競爭性試劑觸發釋放載物。該項研究展現了一種簡單的構建刺激響應型機械化MOFs材料的方法,并且包含了由生物相容性部件制成的機械化UiO-68-azo。這樣的智能系統將可能會為未來藥物輸送提供獨特的MOF平臺。(Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600480)

  6. 量子點閃爍的起因與控制
 ?。∣rigin and control of blinking in quantum dots)
  半導體納米晶體基于它們大小可調的光致發光、較高的光穩定性和“自下而上”的化學自組裝方法為潛在的器件應用提供了巨大的多樣性。然而,這類的應用嚴重受限于納米晶體輻射中的間歇光致發光,即源于任一或兩個光致載流子逃逸到納米晶體表面的“閃爍”。在第一個方案中,納米晶體的剩余電荷通過非輻射的俄歇復合淬滅光致發光,而對于其他的,激子在被熱化之前便被截斷而無法貢獻于光致發光。最近,Efros等人綜述了目前對納米晶體閃爍動力學以及核殼設計在控制這種現象上的成果。在帶電納米晶中,核-殼核殼限域電勢的“軟化”強烈地抑制了非輻射的俄歇過程。非閃爍在CdSe-CdS核-厚殼納米晶體和它的修飾物中被成功實現。(Naturenanotechnology DOI:10.1038/NNANO.2016.140)

  7. 電池主要粒子中鋰組分空間動力學的起源與滯后
 ?。∣rigin and hysteresis of lithium compositionalspatiodynamics within battery primary particles)
  像鋰離子電池這樣的電化學器件,在其固-液界面、動力學和離子插入反應的均勻性分別決定了速率性能和壽命。
  Jongwoo等人利用原位X射線顯微成像平臺動態映射LixFePO4中的鋰組分和插入率,發現納米尺度速率和組分的空間變化控制了在亞微粒子尺度鋰化的通道。具體來說,插入速率常數中的空間變化導致不均勻結構域的形成,依賴于速率常數的組分在脫鋰期間放大了不均勻性,但在鋰化過程反而抑制了不均勻性,而且在鋰化過程會中穩定固體溶液。鋰組分和表面反應速率在電化學離子插入過程中耦合控制了動力學和均勻性。(Science DOI:10.1126/science.aaf4914)

  8. 通過銅氧化物界面中間層相分離實現自優化超導
 ?。⊿elf-optimized superconductivity attainable by interlayerphase separation at cuprate interfaces)
  實現穩定高溫超導以及闡明其機理一直以來都是凝聚態物理材料研究中的主要挑戰。與此同時,納米結構方面的最新進展為設計實現新型功能提供了前所未有的可能性。首先,銅氧化物和鉄基高溫超導體薄膜相比于塊材明顯表現出更加優秀的超導特性(例如:更高的臨界溫度),但是,其潛在機制仍未了解。為了求解合適的銅氧化物微觀模型,Takahiro等人發現:在介于莫特絕緣體和過摻雜非超導金屬之間的界面上,超導振幅總是固定在塊材實現超導的最優值上,與金屬載流子濃度無關。這與塊材的超導體是類穹頂狀依賴不同,但是從La2CuO4和La2−xSrxCuO4觀測到的載流子濃度x所得出的臨界溫度具有一致驚人的獨立性。另外,他們確定了用于固定最佳振幅的自組織機制。這個界面例子打開了通過抑制相互沖突的不穩定性來塑造超導從而可以直觀設計器件的方法。(Science Advances DOI: 10.1126/ sciadv.1600664)
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