南科大首次準(zhǔn)確測定單層非晶碳材料的原子結(jié)構(gòu)

南科大首次準(zhǔn)確測定單層非晶碳材料的原子結(jié)構(gòu)

2020年1月，南方科技大學(xué)物理系林君浩副教授課題組，范德堡大學(xué)物理系Pantelides教授課題組與新加坡國立大學(xué)物理系?ZYILMAZ教授課題組合作在非晶態(tài)材料中取得關(guān)鍵性突破，成功在低維極限下合成出單層非晶碳材料，并首次在原子尺度下準(zhǔn)確測定了該單層非晶碳材料的原子結(jié)構(gòu)，在實空間下計算出其長程無序性的徑向分布函數(shù)。 工作統(tǒng)計結(jié)果表明，該單層非晶碳薄膜沒有任何長程周期性，其徑向分布函數(shù)非常接近傳統(tǒng)的三維非晶碳材料，進(jìn)一步驗證了單層非晶結(jié)構(gòu)的無序特性。同時，通過更深入的分析，此次工作顛覆了人們對于單層非晶碳材料不能單獨(dú)穩(wěn)定存在的認(rèn)知。

（a）單層非晶碳材料在色差校正效果下的HRTEM圖片以及相應(yīng)的傅立葉轉(zhuǎn)換圖片，展示出非晶材料獨(dú)有的彌散衍射環(huán)。（b） 對應(yīng)于a圖中紅色選框區(qū)域的原子mapping 的偽彩處理圖片。五元環(huán)（紅色），七/八元環(huán)（藍(lán)色）和扭曲的六元環(huán)（紫色/綠色）。微晶（綠色）由扭曲的六元環(huán)組成，并被大量非六圓環(huán)區(qū)域分隔。晶粒被定義為至少由被六個六元環(huán)圍繞的六角形組成。（c) 根據(jù)b圖建立的理論模型。

（a）圖1b中紅色選區(qū)的鍵長鍵角測量圖，證明微晶粒中存在巨大的應(yīng)變。（b）在實空間統(tǒng)計數(shù)據(jù)下，石墨烯和單層非晶碳的鍵長徑向分布函數(shù)。（c）石墨烯和單層非晶碳中第一個相鄰原子的鍵長分布的統(tǒng)計圖。（d）石墨烯和單層非晶碳之間的鍵角分布的統(tǒng)計直方圖。

西安交大鐵電材料領(lǐng)域再獲突破，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)認(rèn)識

2020年1月，西安交大研究團(tuán)隊與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位合作，利用交變電場來極化PMN-PT鐵電晶體，從而完全消除了對光有散射作用的鐵電疇壁，從而獲得了兼具高壓電系數(shù)（>2100 pC/N）、高電光系數(shù)（220 pm/V）和理論極限透光率的鐵電晶體材料。 鐵電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電-聲信號轉(zhuǎn)換的智能材料，廣泛應(yīng)用于超聲、水聲、電子、自控、機(jī)械等諸多領(lǐng)域。然而，由于鐵電體存在大量的疇壁和晶界，傳統(tǒng)的高性能壓電材料，如Pb(Zr,Ti)O3（PZT）陶瓷和工程疇結(jié)構(gòu)的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）單晶材料，通常在可見光波段是不透明的。這項研究工作所獲得的透明壓電晶體將有效地推動聲-光-電多功能耦合器件的設(shè)計與開發(fā)，例如透明觸覺傳感器、具有能量收集功能的透明壓電觸摸屏、用于光聲成像的高性能透明超聲換能器等。

（a）本工作所得到的透明高性能壓電單晶材料照片（b）單晶透光率實驗數(shù)據(jù)

金屬所首次在塊體非晶態(tài)材料中實現(xiàn)加工硬化

2020年2月，金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料動力學(xué)研究部李毅研究員（通訊作者），潘杰副研究員（第一作者）和博士生周維華與英國劍橋大學(xué)材料系 A.L. Greer教授（通訊作者）、Y. P. Ivanov博士合作，首次在塊體非晶態(tài)材料中實現(xiàn)加工硬化，顛覆了人們對非晶態(tài)材料形變軟化行為的固有認(rèn)識，為開發(fā)具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業(yè)應(yīng)用提供了新思路和方向。 此次研究結(jié)果表明，塊體非晶合金的加工硬化卻是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少（更馳豫狀態(tài)），是一個由高能態(tài)向低能態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。這與晶體材料的傳統(tǒng)加工硬化過程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化機(jī)制。此研究不僅是八十五年來對材料加工硬化機(jī)理的重新認(rèn)識，也為非晶態(tài)材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

(a) 利用三維壓應(yīng)力的方法使塊體非晶合金產(chǎn)生大范圍、高程度的回春，獲得高能態(tài)的塊體非晶合金；(b) 回春態(tài)塊體非晶合金在單軸壓縮時的加載-卸載-再加載曲線和真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

北航材料學(xué)院攻克國際性難題 單層二維材料研究取得進(jìn)展

2020年3月，《Nature》雜志在線以全文Article的形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊樹斌教授課題組在單層二維材料研究方面取得的最新進(jìn)展?！禖onversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides》發(fā)現(xiàn)并提出一種合成單層二維材料的新方法──拓?fù)滢D(zhuǎn)化法，通過轉(zhuǎn)化非范德華固體（過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MAX相）等）直接大量制備出具有超穩(wěn)定和超高單層率的單原子層二維過渡金屬硫族化物，攻克了單層二維材料難以制備和不穩(wěn)定的國際性難題。

專家評述，這種方法可以直接將非范德華固體材料轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌覶MCs，極具普適性，且操作簡便，成本低廉，非常適合工業(yè)生產(chǎn)，將二維材料的應(yīng)用極大地推向了市場商業(yè)化。

(a)：轉(zhuǎn)化非范德華固體（MAX相）合成超高單層率和高溫穩(wěn)定的二維過渡金屬硫族化物的機(jī)理圖。(b)：MAX相中A相與含硫族元素的氣體或蒸氣形成的中間物的飽和蒸汽壓-溫度曲線。

北理工突破傳統(tǒng)認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)剪切促進(jìn)晶體生長！

2020年3月，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫建科教授以《Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow》為題，將其“剪切促進(jìn)晶體生長”研究成果發(fā)表于《Nature》雜志上（Nature 2020, 579, 73-79）。孫建科為該論文的共同第一作者，化學(xué)與化工學(xué)院為共同合作單位，排名第三。此研究是與韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院Bartosz Grzybowski 教授合作完成。 制備高質(zhì)量且粒徑尺寸合適的單晶在有機(jī)合成以及制藥等相關(guān)行業(yè)至關(guān)重要。孫建科教授的該項研究突破了人們對傳統(tǒng)晶體生長機(jī)理的認(rèn)知，他發(fā)現(xiàn)在聚離子液體（Poly（ionic liquid），PIL，一類聚電解質(zhì)材料）存在的環(huán)境中，不斷的攪拌會讓晶體生長的更快、更大。該工作打破了人們對傳統(tǒng)結(jié)晶理論的認(rèn)識，提出了利用剪切驅(qū)動的封閉系統(tǒng)恒溫結(jié)晶方法，為簡單、高效合成高質(zhì)量的單晶提供了新思路。該方法是對當(dāng)前晶體生長技術(shù)的一個重要補(bǔ)充，有望大大降低材料加工和制藥業(yè)中晶體生長成本。

在聚離子液體存在下剪切應(yīng)力促進(jìn)均苯三甲酸晶體的生長

科學(xué)家首次成功制備新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料

2020年5月，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授于奕課題組與美國普渡大學(xué)研究團(tuán)隊合作，在新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)研究中取得重要進(jìn)展，首次成功制備并表征了二維鹵化物鈣鈦礦橫向外延異質(zhì)結(jié)。 鹵化物鈣鈦礦材料作為一類近年來引起廣泛關(guān)注的新興半導(dǎo)體，在太陽能電池、發(fā)光二極管、激光等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景，于奕課題組與合作團(tuán)隊在兩個前沿難題的解決上取得了突破。這一突破提供了界面原子結(jié)構(gòu)、缺陷構(gòu)型以及晶格應(yīng)變等準(zhǔn)確信息，為這類新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了直觀的指導(dǎo)。在這些研究發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步合作，展示了新型異質(zhì)結(jié)原型器件中的整流效應(yīng)，驗證了這類新型半導(dǎo)體走向應(yīng)用的前景。

港大黃明欣等創(chuàng)強(qiáng)韌性組合世界紀(jì)錄的超級鋼

2020年5月，由香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Robert O. Ritchie教授合作領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊，成功突破超高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度-韌性組合極限，獲得同時具備極高屈服強(qiáng)度（~2 GPa），極佳韌性（102 MPa·m?），良好延展性（19%的均勻延伸率）的低成本變形分配鋼（D&P鋼）。 發(fā)展超高強(qiáng)度同時兼?zhèn)鋬?yōu)良韌性的結(jié)構(gòu)材料，一直是材料科學(xué)家及工程師過去幾十年間希望解決的世界級科學(xué)難題。對比現(xiàn)有航空航天用馬氏體時效鋼，此次的高強(qiáng)高韌D&P鋼以低于其5分之1的原材料成本，實現(xiàn)了強(qiáng)度與韌性的同時提升。除了力學(xué)性能上的巨大躍升，該團(tuán)隊開創(chuàng)性地提出高屈服強(qiáng)度誘發(fā)晶界分層開裂增韌新機(jī)制，獲得超高強(qiáng)鋼鐵材料斷裂韌性的大幅提升；打破了傳統(tǒng)認(rèn)為的提高強(qiáng)度會降低材料斷裂韌性的常識。

（A）三維圖解模型描述了樣品加載方向與D&P鋼組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。（B）工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。（C）J-積分阻力曲線。展示了D&P鋼同時具有極高的屈服強(qiáng)度、韌性和均勻延伸率。

D&P鋼與其它結(jié)構(gòu)材料的 (A) 屈服強(qiáng)度-斷裂韌性及 (B) 屈服強(qiáng)度-均勻延伸率的對比。

（A）此次D&P鋼的三維立體組織結(jié)構(gòu)。（B）原奧氏體晶粒邊界(PAGBs)在D&P鋼中的分布。（C）三維原子探針證明了Mn元素在原奧氏體晶界處富集。（D）三維示意圖展示了D&P鋼的獨(dú)特片層狀結(jié)構(gòu)。

(A) D&P鋼分層開裂增韌三維示意圖，展示分層裂紋沿著垂直主裂紋的面發(fā)生。（B）D&P鋼的斷口形貌，觀察到分層裂紋沿著垂直主裂紋的面發(fā)生。（C）分層裂紋沿著原奧氏體晶界（PAGBs）擴(kuò)展。（D）D&P鋼的TRIP 韌化機(jī)理。

北京大學(xué)實現(xiàn)30余種高指數(shù)晶面、A4紙尺寸單晶銅箔庫制造突破

2020年5月，北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝研究員、王恩哥院士與南方科技大學(xué)俞大鵬院士、韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院丁峰教授等合作在高指數(shù)單晶銅箔制造方向上取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊創(chuàng)造性提出晶體表界面調(diào)控的“變異和遺傳”生長機(jī)制，在國際上首次實現(xiàn)種類最全、尺寸最大的高指數(shù)晶面單晶銅箔庫的制造。 近年來隨著二維材料研究的興起，銅被廣泛應(yīng)用于二維單晶材料的外延制備。制備大尺寸、多種指數(shù)晶面的單晶銅箔是產(chǎn)業(yè)界、科研界亟待解決的科學(xué)和技術(shù)問題。本工作中，研究團(tuán)隊發(fā)展一種全新退火技術(shù)，實現(xiàn)了對銅箔再結(jié)晶過程中熱力學(xué)和動力學(xué)的控制。研究成果首次實現(xiàn)了世界上最大尺寸、晶面指數(shù)最全的單晶銅箔庫的可控制備，在單晶金屬研究、二維材料生長、表界面催化、低損耗電學(xué)傳輸、高頻電路板、高散熱器件等領(lǐng)域具有開拓性意義。

不同指數(shù)晶面、A4紙尺寸單晶銅箔的控制制備

超疏水材料披“鎧甲”，疏水耐磨可兼得

2020年6月，《自然》雜志封面發(fā)表了電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授團(tuán)隊最新科研成果，該篇名為《設(shè)計堅固的超疏水表面》的論文提出，通過為超疏水表面“穿上”具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)“鎧甲”的方式，解決了超疏水表面機(jī)械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。 具作者介紹，根據(jù)已有科學(xué)研究，人們認(rèn)為材料表面的機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性。這就意味著超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性在提高一種性能時必然導(dǎo)致另一種性能下降。在實驗過程中，該團(tuán)隊通過結(jié)合浸潤性理論和機(jī)械力學(xué)原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，同時利用光刻、冷/熱壓等微細(xì)加工技術(shù)將鎧甲結(jié)構(gòu)制備于硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面，與超疏水納米材料復(fù)合構(gòu)建出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的鎧甲化超疏水表面。該論文展示了鎧甲化超疏表面非凡的應(yīng)用潛力，必將進(jìn)一步推動超疏水表面進(jìn)入廣泛的實際應(yīng)用。目前研究人員已經(jīng)將這種新型超疏水材料表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板。

鎧甲微結(jié)構(gòu)尺寸越小，超疏水性對斷裂性磨損越敏感

清華科研超長碳納米管，具有超耐疲勞性能

2020年8月，清華大學(xué)化工系魏飛教授和張如范副教授團(tuán)隊首次以實驗形式測試了厘米級長度單根超長碳納米管的耐疲勞性。超強(qiáng)超韌和超耐疲勞性能的材料在航空航天、軍事裝備、防彈衣、大型橋梁、運(yùn)動器材、人造肌肉等眾多領(lǐng)域都面臨巨大的需求。 為開展單根厘米級長度碳納米管的疲勞力學(xué)行為測試，研究團(tuán)隊設(shè)計搭建了一個非接觸式聲學(xué)共振測試系統(tǒng)（non-contact acoustic-resonance-test，ART）。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢，該系統(tǒng)不僅避免了電子束導(dǎo)致的樣品損傷，也使得厘米長度的一維納米材料的疲勞測試成為可能，同時還解決了小尺寸樣品夾持以及高周次循環(huán)載荷的施加問題。這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強(qiáng)超耐疲勞纖維的光明前景，同時為碳納米管各領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的壽命等設(shè)計提供了參考依據(jù)。

超長碳納米管的結(jié)構(gòu)和疲勞測試方案

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