《自然》《科学》一周(10.8-10.14)材料科学前沿要闻

材料科学的研究热点材料科学是一门涵盖了众多材料领域的综合性学科，其研究热点也在不断变化和更新。

在当前，一些关键的研究领域和趋势正在推动着材料科学的发展，下面我们将对这些热点进行探讨。

一、纳米材料和纳米技术纳米材料是一种由单个原子或分子组成的新型材料，具有许多独特的物理、化学和机械性能。

由于其独特的性质，纳米材料在许多领域，如生物医学、能源转换和储存、环境治理等，都有广泛的应用前景。

此外，纳米技术在微纳制造、电子设备、信息存储等领域也有巨大的潜力。

未来，纳米材料和纳米技术的应用将更加广泛，这将对材料科学的研究提出更高的要求。

二、绿色和可持续材料随着环保意识的提高，绿色和可持续材料的研究越来越受到关注。

这些材料在生产和使用过程中对环境的影响较小，同时具有较高的性能和可持续性。

目前，绿色和可持续材料的研究主要集中在可再生资源（如生物质）转化为新材料，以及环境友好的制备工艺等方面。

例如，利用植物纤维和生物聚合物制备生物基塑料，使用绿色催化剂进行金属掺杂等。

此外，回收和再利用材料也是一个重要的研究领域，以提高资源的利用效率，减少浪费。

三、自修复材料自修复材料是一种能够在受到损伤时能够自我修复或恢复性能的材料。

这种材料具有巨大的应用潜力，特别是在航空航天、汽车、建筑等领域。

目前，自修复材料的研究主要集中在开发自修复机制、优化自修复效果以及与智能材料的结合等方面。

未来，随着自修复材料的不断完善和优化，其应用领域将不断扩大。

四、仿生材料仿生材料是模仿自然界中的生物或生物结构而开发的材料。

这些材料通常具有优异的力学性能、优良的生物相容性和自适应性等特性。

目前，仿生材料的研究主要集中在仿生结构和功能的设计与合成方面。

例如，模仿植物的纤维结构制备高性能纤维增强复合材料；模仿贝壳的微观结构制备具有优异力学性能的纳米复合材料等。

未来，仿生材料的研究将更加注重与生物学的结合，以开发出更加自然、环保和可持续的材料。

五、智能材料和系统智能材料是一种能够感知外部环境并响应变化的材料或系统。

1. 效率达 17.3％的溶液加工的有机串联太阳能电池材料名称：有机光伏电池研究团队：中国南开大学陈永胜研究组原标题：Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency虽然有机光伏电池（OPV）具有许多优点，但它们的性能仍然远远落后于其他光伏平台。

其中一个最根本的原因是有机材料的电荷迁移率低，导致有源层厚度和光吸收效率受到限制。

在 Meng 等人的研究中，在半经验模型分析的指导下，使用串联电池策略来克服这些问题，并利用有机材料的高度多样性和易于调谐的带结构，创造了 17.29％的功率转换效率。

实现了双端整体溶液加工的串联OPV。

（Science DOI: 10.1126/science.aat2612）2. 3D 打印分层液晶聚合物结构材料名称：液晶聚合物研究团队：瑞士联邦理工学院André r. Studart研究组原标题：Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures当诸如飞机、车辆和生物医学植入物等需要坚硬的轻质材料时，通常会使用纤维增强聚合物结构。

虽然它们具有非常高的刚度和强度，但是这种轻质材料需要能量和劳动密集的制造工艺，且通常易出现脆性断裂并且难以成形和再循环。

这与轻质生物材料（例如骨、丝和木材）形成了鲜明对比，这些生物材料能够通过定向自组装形成具有突出机械性能的复杂的、分层结构的形状，并且能够循环融入到环境中。

Gantenbein 等人展示了一种三维（3D）打印方法，来生成具有分层结构、复杂几何形状和前所未有的刚度和韧性的可回收轻质结构。

它们的特性源于在熔融原料材料的挤出过程中液晶聚合物分子自组装成高度有向域。

Gantenbein 等人通过使印刷路径与分子域定向，能够根据预期的机械应力增强聚合物结构，从而使刚度、强度和韧性超过最先进的 3D 打印聚合物一个数量级，能够与最高性能的轻质复合材料相媲美。

1. 用于高倍率锂离子储能的铌钨氧化物材料名称：Nb16W5O55和 Nb18W16O93研究团队：英国剑桥大学 Clare P. Grey 研究组原标题：Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage锂离子电池的最大功率输出和最小充电时间取决于离子和电子传输。

电化学活性颗粒内的离子扩散通常代表对电池可充电和放电速率的基本限制。

为了补偿相对慢的固态离子扩散并且能够实现高功率和快速充电，活性颗粒经常被减小到纳米尺寸，从而损害了体积填充密度、成本、稳定性和可持续性。

作为纳米级的替代方案，Griffith 等人在这里展示了两种复杂的铌钨氧化物（Nb16W5O55和 Nb18W16O93，它们分别采用晶体剪切和青铜状结构）即使在铌钨氧化物颗粒的尺寸数量级为微米级下也可以高速嵌入大量的锂。

两种结构中锂离子扩散系数的测量显示室温下的值比典型的电极材料如Li4Ti5O12和 LiMn2O4高几个数量级。

这一铌钨氧化物材料的出现打破了通过构造纳米电极材料来优化电池中离子扩散速率和电学性能的传统方法，为制备高性能电池提供了新的策略。

（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0347-0）2. 室温下对范德瓦尔斯异质结构中激子通量的电控制材料名称：MoS2-WSe2范德瓦尔斯异质结构研究团队：瑞士洛桑联邦理工学院 Andras Kis 研究组原标题：Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure依赖于激子（束缚电子和空穴对）操作的器件有望实现光学数据传输和电子处理系统之间的有效互连。

尽管已经在基于体半导体的耦合量子阱中成功地证明了基于激子的晶体管作用，但是它们工作所需的低温限制了它们的实际应用。

1. 适体场效应晶体管克服了小分子传感的德拜长度限制材料名称：场效应晶体管研究团队：美国加州大学 Anne M. Andrews 研究组原标题：Aptamer-field-effect transistors overcome Debye length limitations for small-molecule sensing用带有配体特异性受体的场效应晶体管检测分析物，基本都会受到双电层产生的屏蔽的限制（“德拜长度”限制）。

Nakatsuka 等人通过修改印刷式超薄金属氧化物场效应晶体管阵列，选择脱氧核糖核苷酸适体自适应地结合其靶标，从而能在高生理离子强度条件下检测小分子。

半导体通道附近带负电荷的适体磷酸二酯骨架的靶诱导构象变化，在生理缓冲液中通过门控来控制传导，实现了高度灵敏的检测。

通过特异性分离的适体干细胞受体，可以感知带电靶标和电中性靶标（血清素、多巴胺、葡萄糖和鞘氨醇-1-磷酸）。

（Science DOI: 10.1126/science.aao6750）2. 用于聚光太阳能发电厂热交换器的陶瓷金属复合材料材料名称：ZrC/W 复合材料研究团队：美国普渡大学 K. H. Sandhage 研究组原标题：Ceramic-metal composites for heat exchangers in concentrated solar power plants以更高的涡轮机入口温度运作，可以使聚光太阳能发电厂（使用镜子或透镜集中太阳光以驱动热力发动机，通常涉及涡轮机）热发电效率明显增加，但是这需要改进热交换器材料。

通过使用闭式循环高压超临界二氧化碳（sCO2）再压缩循环来使涡轮机运作的入口温度高于 1023 开尔文，而不是使用入口温度低于 823 开尔文的常规（如亚临界蒸汽朗肯）循环，相对热电转换效率可提高 20％以上。

由此产生的集中式太阳能发电厂可调度电力成本的降低（加上热能储存）将是与化石燃料基础设施直接竞争和大量减少温室气体排放的重要一步。

材料科学的新兴发展前沿材料科学作为一个多学科交叉领域，一直以来都在为人类的发展做出贡献。

随着科技的不断进步和创新，材料科学正迎来全新的发展前沿。

本文将重点讨论材料科学领域的新兴发展前沿，涵盖先进材料、功能材料、纳米材料以及可持续材料等方面的最新趋势和领域。

先进材料是材料科学中的重要研究方向之一，它涵盖了诸多材料的设计、制备和应用。

先进材料旨在提高材料的性能和功能，为现代科技和工业的发展提供更加先进的工具和解决方案。

例如，高性能金属合金、复合材料和功能纤维等是先进材料的重要研究方向。

这些材料的应用范围广泛，可用于航空航天、能源储存、电子器件等领域，大大推动了相关科技的发展。

功能材料是指具有特定功能的材料，其研究重点是通过控制材料的结构和组成来实现特定的物理、化学或生物性能。

可调控的光学、电子、磁性和热学性质是功能材料的主要特征。

在光学方面，发光材料和光波导材料等功能材料的研究是当前热点之一。

这些材料不仅在显示技术、光纤通信等领域有广泛应用，还在生物医学中发挥着重要作用，如荧光探针、生物成像和刺激响应材料等。

此外，磁性材料的研究也十分重要，特别是对于存储器件和磁共振成像等领域的发展具有重要意义。

纳米材料是一种重要的研究方向，其尺寸在纳米级别，通常是10^-9米。

由于纳米材料的独特特性，如巨大的比表面积、尺寸约束效应和量子效应，使得其在光电、磁学、力学以及生物学等领域中具有广泛的应用潜力。

纳米材料的研究旨在探索和改变材料的物理化学性质，并研究其在纳米尺度上的行为和性能。

例如，纳米颗粒的制备和应用被广泛研究，其在能源领域的应用包括光伏材料、燃料电池材料、储能材料等。

此外，纳米材料在生物医学、环境和传感器等领域的应用也备受关注。

可持续材料是指以可持续发展为导向和目标的材料。

近年来，全球对环境保护和可持续发展的关注日益增加，促使人们研究和开发可持续材料，以减少对环境的负面影响。

可持续材料的研究方向包括环保材料的设计和开发、循环经济材料的利用以及可再生能源材料的应用等。

1. 能够自我报告和自我调节的液晶原标题：Self-reporting and self-regulating liquid crystals材料名称：液晶研究团队：美国威斯康星大学麦迪逊分校Abbott研究组液晶（LC）是各向异性流体，它结合了晶体的长程有序性与液体的流动性。

其具有的这些特性已被组合广泛用于创造能够以光学方式报告其环境信息的可重构材料，例如电场变化（智能手机显示）、温度变化（温度计）或机械剪切变化以及化学和生物刺激（传感器）等。

但对于响应性材料却仍存在尚未满足的需求，这些材料不仅需要传达其环境信息，而且还需要通过自我调节的化学相互作用转化环境。

Kim 等人展示了一系列可以触发脉冲（瞬态）或连续释放初始时 LC 内的微型货物（含水微滴或固体微粒及其化学内容物）的刺激。

由此液晶材料能够对目标物理、化学和生物事件以化学响应的方式进行自我报告和自我调节，具体响应方式可通过对不同几何形状（如井，膜和乳滴）中的弹性、电双层、浮力和剪切力的相互作用等进行预编程来实现。

这些LC 材料具有超出用于受控微载体释放的常规材料的能力，可以执行复杂的功能，例如以光学形式对刺激（例如由运动细菌产生的机械剪切应力）进行报告，然后通过反馈回路以自我调节的方式响应（例如，释放引起细菌细胞死亡所需的最小量的杀生剂）。

（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0098-y）2. 水蒸汽促进合金氧化的原子起因原标题：Atomic origins of water-vapour-promoted alloy oxidation材料名称：镍铬合金研究团队：美国太平洋西北国家实验室Chongmin Wang研究组对于蒸汽发生器、涡轮发动机、燃料电池、催化剂和腐蚀等许多材料应用来说，或有意或无法避免的水蒸气的存在，都是非常重要的。

现象学上，人们已经注意到水蒸气会加速金属和合金的氧化。

但这种氧化背后的原子机制却仍未可知。

材料科学领域的前沿材料科学是一门研究材料结构、性能、制备和应用的学科。

随着科学技术的不断进步，材料科学在近几十年来取得了巨大的发展，并呈现出了许多前沿领域。

本文将从材料设计和发现、纳米材料、生物材料以及可再生材料等方面介绍材料科学领域的一些前沿研究。

材料设计和发现是材料科学领域的一个重要研究方向。

传统的材料设计方法往往是基于经验和试错，而现代材料科学已经开始采用计算机模拟和数据驱动的方法来进行材料设计。

其中，高通量计算和机器学习等技术被广泛应用于材料设计和发现。

高通量计算可以通过大规模并行计算和高度自动化的算法，快速筛选出具有特定性能的材料候选者。

机器学习则可以根据大量实验数据和物理模型，建立预测性模型，加速材料设计的过程。

这种基于计算和数据驱动的材料设计方法，不仅可以加快新材料的发现速度，还能够解决材料研究过程中的一些实验难题。

纳米材料是材料科学领域的另一个前沿研究方向。

纳米材料具有尺寸效应、表面效应和量子效应等特性，因此在光电子器件、催化剂和生物传感器等领域具有广泛的应用前景。

纳米材料的制备方法也在不断创新，如溶胶-凝胶法、水热合成、气相沉积等。

同时，研究者们也在进一步深入研究纳米材料的结构和性能，以便更好地应用于实际应用中。

生物材料是指能够与生物系统相互作用的材料，是材料科学领域的又一重要研究方向。

生物材料在医学、生命科学和工程领域具有重要的应用潜力。

例如，人工关节、心脏起搏器、人工血管等医疗器械都是生物材料的应用领域。

此外，生物材料还可以用于组织工程、药物传递和生物传感等方面。

研究者们正在努力开发具有优异性能和生物相容性的生物材料，以满足社会需求。

另一个材料科学领域的前沿是可再生材料的研究。

随着全球环境问题的日益严重，研究可再生材料已经成为一个重要的研究方向。

可再生材料是指可以通过再生或循环利用来减少资源消耗和环境影响的材料。

例如，可再生能源材料如太阳能电池、风能发电材料等可以替代传统的能源材料；可再生塑料材料如生物基塑料可以减少石油资源的消耗。

材料科学前沿材料科学作为一门研究材料的结构、性能、加工及其与实际应用之间关系的学科，近年来取得了飞速的发展。

随着科技的进步和人类对高性能材料的不断追求，材料科学的研究前沿正不断拓展，为各行各业带来了革命性的变革。

纳米技术的突破在材料科学领域，纳米技术的应用已成为一个重要研究方向。

通过控制材料的微观结构至纳米级别，科学家们能够显著改善材料的力学、电学及光学性能。

例如，纳米复合材料因其优异的机械强度和耐热性，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

生物可降解材料环保意识的增强推动了生物可降解材料的研究与发展。

这类材料能够在自然条件下分解，减少对环境的污染。

目前，生物可降解塑料、生物医用材料等已开始逐步替代传统塑料和金属材料，在包装、医疗等行业中得到应用。

智能材料的研发智能材料是指能够对外界刺激（如温度、压力、电磁场）作出反应的材料。

这些材料在传感器、驱动器、自适应系统等方面展现出巨大潜力。

例如，形状记忆合金可以在特定温度下恢复其原始形态，被用于医疗器械和智能服装中。

超导材料的新进展超导材料因其在低温下零电阻和完全抗磁性的特点，一直是物理学和材料科学的热点。

近年来，研究人员在提高超导材料的临界温度方面取得了显著进展，这对于电力输送、磁悬浮交通等领域具有重大意义。

能源存储材料的创新随着可再生能源的广泛应用，高效能源存储材料的需求日益增长。

新型电池技术，如固态电池、锂空气电池等，因其高能量密度和长寿命特性，被视为未来能源存储的重要方向。

此外，超级电容器作为一种快速充放电的储能设备，也在电动汽车、智能电网等领域显示出巨大潜力。

结语材料科学的发展不仅推动了科技进步，也极大地改善了人类的生活质量。

未来，随着新材料的不断涌现和技术的进一步成熟，我们有理由相信，材料科学将继续在能源、环境、信息、生命科学等领域发挥关键作用，引领人类社会向更加可持续、高效的方向发展。

1. 聚合物网络中以金属有机笼作为交联的光切换拓扑结构材料名称：聚合物网络研究团队：美国麻省理工学院 Jeremiah A. Johnson 研究组原标题：Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks聚合物网络可具有一系列令人满意的性能，例如机械强度、不同材料之间宽泛的组成多样性、稳定的孔隙率、便利的加工性和广泛的溶剂相容性。

从下到上设计具有新结构基序和化学组成的聚合物网络，可以用来赋予动力学特征，例如延展性或自我修复或允许材料响应环境刺激。

然而，许多现有系统仅表现出由材料的组成和拓扑定义的一种运作状态；或者它们的响应性可能是不可逆转的，且仅限于单个网络特性（例如刚度）。

Gu 等人利用协作自组装作为设计原则来制造了可以在两个拓扑状态之间切换的材料。

通过使用聚合物连接的金属有机笼的网络，其中笼在照射时改变形状和尺寸，便可以用紫外线或绿光可逆地切换网络拓扑。

这种光开关可以同时在多个网络特性中产生相干变化，包括分支功能、结点波动、缺陷容限、剪切模量、应力松弛特性和自我修复。

拓扑切换材料可用于软机器人和光致动器等领域，也可用于基础聚合物物理研究的模型系统。

（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0339-0）2. 单分子水平的电荧光机制材料名称：锌-酞菁自由基阳离子研究团队：法国斯特拉斯堡大学 Guillaume Schull 研究组原标题：Electrofluorochromism at the single-molecule level分子光学性质和氧化态之间的相互作用对显示器、传感器和基于分子的存储器等应用来说都非常重要。

但对于发生在单分子水平上的基本机制一直难以探究。

Doppagne 等人利用扫描隧道显微镜（STM）来表征和控制吸附在覆盖了氯化钠的金（111）样品上的单个锌-酞菁自由基阳离子的荧光。

新一代材料科学的前沿研究材料科学作为一门重要的学科，涉及到材料的合成、结构、性能以及应用等多个方面。

随着科技的不断发展，新一代材料科学已成为研究的热点。

本文将重点探讨新一代材料科学的前沿研究领域和取得的重要进展。

一、纳米材料研究纳米材料是指尺寸在纳米级别的材料，具有独特的物理、化学和生物学性质。

纳米材料的研究对于材料科学的发展具有重要作用。

近年来，研究者们在纳米材料合成、调控以及应用等方面取得了许多突破性进展。

例如，通过控制合成条件，可以合成出多孔的纳米材料，具有较大的比表面积和良好的催化性能。

另外，纳米材料在能源存储领域也有广泛的应用，如锂离子电池、超级电容器等。

二、功能材料研究功能材料是指具有特殊功能或性能的材料，如光学材料、电子材料、磁性材料等。

在功能材料研究领域，得益于先进的合成技术和表征手段的发展，科研人员们已经取得了一系列重要的突破。

例如，光学材料方面，研究者们合成出具有特殊光学效应的材料，如光学变色材料、光学纳米结构等。

电子材料方面，发展出多层薄膜、有机电子材料等，极大地推动了电子技术的发展。

磁性材料方面，研究者们合成出超导材料、磁性纳米材料等，有望在磁存储和磁共振成像等领域取得重要应用。

三、生物医学材料研究生物医学材料是应用于医疗领域的材料，具有与生物体相容性、生物活性和特定的生物力学性能。

随着人们对生命科学和医学的深入了解，生物医学材料的研究受到了广泛的关注。

例如，可降解的生物医学材料在组织工程和药物传递等方面具有重要应用，可以促进组织修复和再生。

另外，仿生材料的研究也是生物医学材料领域的一个重要方向，通过模仿自然界的结构和功能，设计和制备具有特定功能的材料。

四、可持续发展材料研究可持续发展材料是指在生产、使用和废弃过程中对环境和人类健康影响较小的材料。

随着环境意识的增强，可持续发展材料的研究和应用受到了广泛的关注。

研究者们通过使用可再生资源、降低能源消耗和减少废弃物等方式，开发出各类符合可持续发展理念的材料。