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1. 類(lèi)空氣環(huán)境下長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰-氧電池
（A lithium–oxygen battery with a long cycle life in an air-like atmosphere）
材料名稱(chēng)：鋰-氧電池
研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)伊利諾伊大學(xué)Amin Salehi-Khojin研究組
鋰空氣電池的理論比能量較高，因而被認(rèn)為是在交通運(yùn)輸設(shè)備中鋰離子電池的潛在替代品。但由于涉及到陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)的副反應(yīng)，導(dǎo)致迄今為止這樣的系統(tǒng)基本上還局限于純氧環(huán)境（鋰-氧電池）并且循環(huán)壽命很有限。在存在氮?dú)?、二氧化碳和水蒸氣的情況下，這些副反應(yīng)更是會(huì)變得更加復(fù)雜。而且，由于需要儲(chǔ)存氧氣，這使得鋰-氧體系的體能量密度對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言可能太小了。Asadi 等人報(bào)導(dǎo)了一種由基于碳酸鋰保護(hù)的陽(yáng)極、二硫化鉬陰極以及離子液體/二甲亞砜電解質(zhì)組成的系統(tǒng)，其作為鋰空氣電池，在模擬空氣環(huán)境中工作的循環(huán)壽命可以長(zhǎng)達(dá) 700 次循環(huán)。他們也進(jìn)行了理論計(jì)算，用以深入了解這種環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)作情況。對(duì)這種在類(lèi)空氣環(huán)境中能夠具有較長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰-氧電池的證明，是在離子技術(shù)之外實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域發(fā)展的重要步驟，由此可能會(huì)得到比傳統(tǒng)鋰離子電池高得多的比能量密度。（Nature DOI: 10.1038/nature25984）
2. 具有高導(dǎo)電性的非共軛自由基聚合物玻璃
（A nonconjugated radical polymer glass with high electrical conductivity）
材料名稱(chēng)：非共軛自由基聚合物
研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)普渡大學(xué)Boudouris研究組
固態(tài)導(dǎo)電聚合物通常具有高度共軛的大分子骨架并且需要有意摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電率。與之相反的，單組分、電中性大分子在合成上可以更簡(jiǎn)單，并且具有增強(qiáng)的可加工性和環(huán)境穩(wěn)定性。Joo 等人展示了聚(4-glycidyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl)，它是一種非共軛自由基聚合物，具有低于室溫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在經(jīng)歷快速固態(tài)電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)后，電導(dǎo)率高達(dá) 28 S/m，導(dǎo)電通道長(zhǎng)度達(dá)到 0.6 微米。80℃的退火溫度能夠在電子通信中形成一個(gè)開(kāi)殼層位點(diǎn)的滲透網(wǎng)絡(luò)，從而使得能夠通過(guò)自由基聚合物膜進(jìn)行電荷傳輸。刻意摻雜不會(huì)增強(qiáng)其導(dǎo)電性，并且該材料的薄膜顯示出了高透光性。（Science DOI: 10.1126/science.aao7287）
3.連續(xù)波室溫鉆石激射器
(Continuous-wave room-temperature diamond maser)
材料名稱(chēng)：鉆石激射器
研究團(tuán)隊(duì)：英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Breeze研究組
微波激射器作為光學(xué)激光器的微波前身，由于其依靠低溫制冷和高真空系統(tǒng)，因而被限制在了相對(duì)模糊的范圍內(nèi)。盡管如此，因其作為低噪聲放大器和振蕩器的無(wú)與倫比的性能，使它已經(jīng)在深空通信和射電天文中得到了應(yīng)用。最近在室溫固態(tài)微波激射器中利用對(duì)三聯(lián)苯主體中光激發(fā)的并五苯分子三重態(tài)內(nèi)的極化電子布居，為新一類(lèi)微波激射器鋪平了道路。然而，對(duì)三聯(lián)苯的熱性能和機(jī)械性能較差，而并五苯三重態(tài)的衰變率則意味著在該體系中僅觀測(cè)到了脈沖微波激射器的運(yùn)作。因此，需要有替代的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射：已經(jīng)被提出來(lái)有，包含了自旋缺陷的無(wú)機(jī)材料，例如金剛石和碳化硅。Breeze 等人報(bào)導(dǎo)了一種連續(xù)波室溫微波激射振蕩器，它利用的是光泵浦的鉆石中的氮空位缺陷中心。這一演示，突出了室溫固態(tài)微波激射器應(yīng)用于新一代微波器件的潛力，這種器件可以用于醫(yī)學(xué)、安全、傳感和量子技術(shù)。（Nature DOI: 10.1038/nature25970）
4. 以磷酸作為傳統(tǒng)上由白磷合成的化學(xué)品的前體
(Phosphoric acid as a precursor to chemicals traditionally synthesized from white phosphorus)
材料名稱(chēng)：含磷化學(xué)品
研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)麻省理工學(xué)院Cummins研究組
長(zhǎng)久以來(lái)，為了磷酸鹽礦改質(zhì)而進(jìn)行傳統(tǒng)熱處理所產(chǎn)生的白磷，一直是合成含磷化學(xué)品（包括除草劑、阻燃劑、催化劑配體、電池電解質(zhì)、藥物和洗滌劑）的關(guān)鍵性工業(yè)中間體。相比之下，磷酸肥料更大范圍上是由磷酸制成的，而磷酸是通過(guò)用硫酸處理磷酸鹽巖而獲得的。Geeson 等人報(bào)告了使用氯化鈉使磷酸脫水產(chǎn)生三偏磷酸鹽，并且還報(bào)告了利用主要用于生產(chǎn)高純度硅的三氯硅烷將三偏磷酸鹽還原成此前未知的雙（三氯甲硅烷基）磷化物陰離子。該陰離子為有機(jī)磷化合物如一級(jí)和二級(jí)烷基膦以及有機(jī)亞膦酸鹽的增值提供了一個(gè)切入點(diǎn)，同時(shí)也可用于制備磷化氫氣體和六氟磷酸鹽陰離子，而以上這些化合物以前僅能在白磷的下游才能得到。（Science DOI: 10.1126/science.aar6620）
5. 三層鐵磁膜中的自旋電流和自旋軌道扭矩
(Spin currents and spin–orbit torques in ferromagnetic trilayers)
材料名稱(chēng)：鐵磁材料
研究團(tuán)隊(duì)：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Park和Lee研究組
通過(guò)自旋軌道耦合產(chǎn)生的磁力矩為高能效自旋電子器件提供了可能。對(duì)于應(yīng)用而言，重要的是這些扭矩在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下對(duì)垂直磁化薄膜進(jìn)行轉(zhuǎn)換。有一種提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)這種切換，其使用磁性三層結(jié)構(gòu)，其中頂層磁層上的扭矩可以通過(guò)改變底層的磁化來(lái)操縱。在底部磁性層或其界面中產(chǎn)生的自旋電流會(huì)越過(guò)間隔層并在頂部磁化上施加扭矩。Baek 等人展示了這種結(jié)構(gòu)中的無(wú)電場(chǎng)轉(zhuǎn)換，并表明了其對(duì)底層磁化的依賴(lài)性與預(yù)期的體效應(yīng)不一致。而且還描述了在底層和間隔層之間的界面處產(chǎn)生自旋電流的機(jī)制，其會(huì)產(chǎn)生與所測(cè)量的磁化強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的扭矩。這種其他層產(chǎn)生的自旋軌道扭矩與自旋電子器件的能效控制相關(guān)。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0041-5）
6. 鉑單體間協(xié)同作用促進(jìn) CO2 加氫
(Synergetic interaction between neighbouring platinum monomers in CO2 hydrogenation)
材料名稱(chēng)：MoS2 上鉑單體
研究團(tuán)隊(duì)：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰和張文華研究團(tuán)隊(duì)
探索兩個(gè)臨近單體之間的相互作用，對(duì)顯著提高性能和加深對(duì)多相催化機(jī)理的理解具有巨大的潛力。Li 等人證明了 MoS2 上臨近 Pt 單體之間的協(xié)同相互作用極大地提高了 CO2 加氫催化活性并且相對(duì)于分離單體降低了活化能。通過(guò)將 Pt 質(zhì)量負(fù)載增加至 7.5％ 同時(shí)保持 Pt 的原子分散，從而實(shí)現(xiàn)了臨近 Pt 單體。機(jī)理研究表明，相鄰的 Pt 單體不僅協(xié)同工作以改變反應(yīng)屏障，而且與分離的單體相比還經(jīng)歷明顯的反應(yīng)途徑。分離的 Pt 單體傾向于將 CO2 轉(zhuǎn)化為甲醇而不形成甲酸，而對(duì)于臨近 Pt 單體 CO2 則逐步氫化成甲酸和甲醇。相鄰單體之間協(xié)同相互作用的發(fā)現(xiàn)，有可能為操縱催化性質(zhì)創(chuàng)造新的途徑。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0089-z）
7. 通過(guò)范德華晶體中的層間間隙來(lái)運(yùn)輸氫同位素
(Transport of hydrogen isotopes through interlayer spacing in van der Waals crystals)
材料名稱(chēng)：范德華晶體
研究團(tuán)隊(duì)：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)
原子如果被限制在與其德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)目臻g中時(shí)，會(huì)開(kāi)始表現(xiàn)為波而不是經(jīng)典粒子。在室溫下，即使是最輕的原子氫，這個(gè)長(zhǎng)度也只有約 1 埃。這將原子類(lèi)的量子限制現(xiàn)象，限制在了非常低的溫度范圍內(nèi)。Hu 等人表明，層狀晶體的原子平面之間的范德華間隙提供了埃尺寸的通道，這使得質(zhì)子的量子限制即使在室溫下也很明顯。輸運(yùn)測(cè)量顯示熱質(zhì)子在六方氮化硼和二硫化鉬中進(jìn)入范德瓦爾斯間隙時(shí)會(huì)相比于氘核受到明顯更高的阻礙。這歸因于同位素間德布羅意波長(zhǎng)的差異。一旦進(jìn)入晶體，盡管相比于質(zhì)子在水中的情況具有出乎意料的高速率，但兩種同位素的傳輸都可以用經(jīng)典擴(kuò)散來(lái)描述了。這種展示出來(lái)的埃尺寸通道可用于進(jìn)一步研究原子量子限制，并且如果該技術(shù)可以放大，則可用于篩分氫同位素。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0088-0）
8. 在鐵電陶瓷中實(shí)現(xiàn)超高壓電
(Ultrahigh piezoelectricity in ferroelectric ceramics by design)
材料名稱(chēng)：稀土摻雜的 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3
研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)Fei Li等
壓電材料，其對(duì)會(huì)對(duì)外加電場(chǎng)做出機(jī)械響應(yīng)且反之亦然，這對(duì)機(jī)電變換器來(lái)說(shuō)是必不可少的。此前的理論分析已經(jīng)表明，鈣鈦礦氧化物中的高壓電性與連接兩個(gè)或更多鐵電相的平面熱力學(xué)能量景觀相關(guān)聯(lián)。根據(jù)現(xiàn)象學(xué)理論和相場(chǎng)模擬，Li 等人對(duì)通常使用的準(zhǔn)同型相界提出了一種替代的設(shè)計(jì)策略，通過(guò)引入局部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性來(lái)操縱界面能量（即額外的相互作用能量，例如與界面相關(guān)的靜電和彈性能量），使得能量圖譜進(jìn)一步扁平化。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，Li 等人合成了稀土摻雜的 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)，因?yàn)橄⊥翐诫s劑傾向于改變 Pb 基鈣鈦礦鐵電體的局部結(jié)構(gòu)。并在居里溫度為 89℃ 的 Sm-摻雜 PMN-PT 陶瓷中，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 1500 pC N-1 的超高壓電系數(shù) d33 和超過(guò) 13000 的介電常數(shù) ε33/ε0。這一研究為通過(guò)設(shè)計(jì)局部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)材料性能提供了一種新的范例，預(yù)計(jì)它將使很多功能材料受益。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0034-4）
9. 鹵化物鈣鈦礦中離子傳導(dǎo)的大幅可調(diào)光電效應(yīng)及其對(duì)光解作用的影響
(Large tunable photoeffect on ion conduction in halide perovskites and implications for photodecomposition)
電子輸運(yùn)對(duì)信息技術(shù)至關(guān)重要，同樣地，離子輸運(yùn)則是能源研究背景下的關(guān)鍵現(xiàn)象。為了能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)光來(lái)調(diào)整離子傳導(dǎo)，而這將會(huì)為新的應(yīng)用領(lǐng)域提供廣闊的發(fā)展空間，但是，為這種效應(yīng)提供明確的證據(jù)卻非常困難。Kim 等人通過(guò)使用各種技術(shù)，例如遷移數(shù)量測(cè)量、滲透研究、化學(xué)計(jì)量變化、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和阻斷電極等，展示了光激發(fā)能夠增強(qiáng)甲基碘化鉛（典型金屬鹵化物光伏材料）多個(gè)數(shù)量級(jí)的離子電導(dǎo)率。他們還提供了這種意料之外現(xiàn)象的基本原理，而且表明是它直接引出了鈣鈦礦此前未考慮過(guò)的光解作用途徑。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0038-0）
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