《自然》《科学》一周（3.9-3.15）材料科学前沿要闻一览

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想了解材料科学的前沿动态吗？想知道世界各国的科学家们都在关注什么热点吗？新材料在线带你走进《自然》《科学》，品味最前沿的材料科学研究进展。

1. 石墨烯在电化学储能方面的应用

（The role of graphene forelectrochemical energy storage）

自从2004年被首次剥离以来，石墨烯已经成为材料科学研究领域最热门的课题之一，它优良的特性导致了大量科学论文的发表。在众多领域中，这股“石墨烯热”正在显著影响电化学储能设备这一领域。尽管有广泛的热情，但还无法确定石墨烯是否会给这一领域带来实质性的进展。Rinaldo Raccichini 等人讨论了石墨烯的一些最新应用，从锂离子电池、电化学电容器到一些最新技术，如金属-空气电池和镁离子电池。通过对当前技术的严谨分析，文章旨在发现石墨烯材料的优点和问题所在，此外还总结了目前在储能方面所取得的最好结果。（Nature Materials DOI: 10. 1038 /NMAT4170）

2. 高效率及高光生电压的单节聚合物太阳能电池

（Single-junction polymersolar cells with high efficiency and photovoltage）

聚合物太阳能电池是一类有前景的下一代太阳能电池技术，因为它可以在常温下用溶液加工的手段制备柔性、质轻、大面积器件。据报道叠层器件的效率已经超过10%。最近，Zhicai He等人通过降低电子受体材料导带下的尾态密度，在单层器件中达到了相近的效率。带尾的调控使通过改变活性层组分及共混膜的结构实现的，这两者被认为是影响电池运行的重要因素。通过这些调控，电池的效率达到9.94%，同时提升了光生电压。 (Nature Photonics DOI:10.1038 /NPHOTON. 2015.6)

3. 碱金属与水反应的初级阶段发生库伦爆炸

（Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkalimetals with water）

碱金属可以与水发生爆炸性的反应，这是教科书上的知识，书上对这种反应解释为反应放热、形成蒸汽并点燃产生的氢气。Philip E. Mason 等证明这个爆炸性反应的初始阶段是一种完全不同的机理。对钠/钾合金掉入水中形成的液滴进行高速拍摄，图片显示合金在掉入水中的瞬间（毫秒级）在液滴表面形成很多金属棒。分子动力学模拟实验证明，在浸入水的同时，金属表面会释放出大量的电子。这个体系很快到达瑞利不稳度极限，导致碱金属的“库伦爆炸”。因此，与水接触的界面形成新的金属表面，这也解释了为何反应不会被其生成的产物自淬灭而可以产生爆炸行为。（Nature Chemistry DOI: 10. 1038/ NCHEM. 2161

4. 通过一种自动化流程合成一系列不同类型的有机小分子

（Synthesis of many differenttypes of organic small molecules using one automated process）

碳基小分子材料（包括生化材料和药物材料）显示出非凡的结构多样性。但我们是否可以设计出一套通用模块组件，通过它们机器可以以流水线的形式将各个组分组装到一起？Li等人最近展示了一些这方面的进展。它们将前驱体以线形方式串联起来，成功的合成出了复杂的多环分子。此外，他们还针对这套装置开发了提纯的方法，这种方法有利于产物和原料的自动化分离。（Science DOI: 10.1126/ science.aaa5414）

5. 有机金属镍（IV）配合物的设计、合成及在碳-杂原子偶联反应上的应用

（Design, synthesis, and carbon-heteroatomcoupling reactions of organometallic nickel(IV) complexes）

金属原子可以比较容易的改变其氧化态（即易得失电子）。这也是为什么金属化合物可以加快很多化学反应的主要原因。Camasso和Sanford通过仔细调控金属中心的配位环境，报道了一种制备+4价金属镍配合物的简单方法。这些配合物可以有效催化碳原子与氧、氮、硫原子发生偶联反应，此外在催化其他碳-杂原子偶联反应上也显示了非凡的潜力。这一发现填补了镍只能在低氧化态下作为催化剂的空白。（Science DOI: 10. 1126 /science.Aaa 4526）

6. 基于热激发延迟荧光的高效蓝光器件

（Highly efficient blueelectroluminescence based on thermally activated delayed fluorescence）

为实现用于未来显示和照明的廉价OLED，需要开发出高效稳定的蓝光有机材料。 Shuzo Hirata 等人发现了设计具有热激发延迟荧光特性的高效蓝光有机分子的规律。他们发现，在这些电荷转移化合物中，HOMO轨道和LUMO轨道的高度离域能显著提高辐射衰减的速率。基于这种规律设计出的材料呈现出极高的荧光衰减速率和三线态到单线态的上转换能力，这使得材料的光致发光效率和内量子效率都接近100%。（Nature Materials DOI: 10. 1038/NMAT 4154）

7. 分子长度决定氧化低聚噻吩单分子结内的载流子特性

（Molecular length dictates the nature of charge carriers in single- moleculejunctions of oxidized oligothiophenes）

开发用于电子器件的先进材料，设计功能可调的分子模块并在分子层面研究其性质是至关重要的。对于有机电子器件和光伏器件，关键是改变载流子特性来创造电子给体和受体。Emma J. Dell 等人证明，在包含缺电子基团噻吩-1-1-二氧化物（TDO） 模块的一类分子中，单分子结内的载流子特性可以被调节。他们设计了基于 TDO 的系列低聚物， TDO 单元能增加电子亲和力并保持前线轨道的离域，并且大幅降低电子带隙。通过热能测量，他们证明，随着TDO单元数量的增加，载流子类型由空穴变为电子。这导致了一个载流子类型决定于主链长度的独特体系，此外还开创了一种调节有机材料p型和n型传输的新方法。（NatureChemistry DOI: 10. 1038/ NCHEM. 2160）

8. 通过化学梯度促进成型的微结构动态设计

（Dynamic designing ofmicrostructures by chemical gradient- mediated growth）

形状是决定微观结构性质的重要参数之一。尽管最近微加工技术有一些进步，但是制造三维微产品的技术仍需进一步完善。自然界在自下向上的自组装中，采用反应-扩散的过程来制造高度复杂的功能性形状和图案。 Tae Soup Shim 等报道了一种加工聚合物微结构的方法。他们在自上而下光刻的过程中采用动态反应-扩散过程，这种方法达到了对形状和组分史无前例的控制程度。自由基聚合中氧气会抑制反应进行，因此氧气的扩散会显著改变增长速率的空间分布。因此，微结构的增长路径可以通过调整氧气的浓度梯度来控制。此外，化合物梯度的逐步控制使得制备高度复杂的微结构成为可能。这种技术操作简单、控制精确的特性为微加工和研究材料的形状和功能间的关系提供了更多的机会。（Nature Communications DOI: 10. 1038/ ncomms 7584）