南科大首次準確測定單層非晶碳材料的原子結(jié)構(gòu)

南科大首次準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穩(wěn)定存在的認知。

（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)認識

2020年1月，西安交大研究團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制。此研究不僅是八十五年來對材料加工硬化機理的重新認識，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──拓撲轉(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)認知，發(fā)現(xiàn)剪切促進晶體生長！

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)晶體生長機理的認知，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。該方法是對當前晶體生長技術(shù)的一個重要補充，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，上海科技大學(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)研究團隊合作，在新型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)研究中取得重要進展，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，研究團隊進一步合作，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)強韌性組合世界紀錄的超級鋼

2020年5月，由香港大學(xué)機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)的科研團隊，成功突破超高強鋼的屈服強度-韌性組合極限，獲得同時具備極高屈服強度（~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，此次的高強高韌D&P鋼以低于其5分之1的原材料成本，實現(xiàn)了強度與韌性的同時提升。除了力學(xué)性能上的巨大躍升，該團隊開創(chuàng)性地提出高屈服強度誘發(fā)晶界分層開裂增韌新機制，獲得超高強鋼鐵材料斷裂韌性的大幅提升；打破了傳統(tǒng)認為的提高強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) 屈服強度-斷裂韌性及 (B) 屈服強度-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）擴展。（D）D&P鋼的TRIP 韌化機理。

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展。研究團隊創(chuàng)造性提出晶體表界面調(diào)控的“變異和遺傳”生長機制，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)良機械穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)“鎧甲”的方式，解決了超疏水表面機械穩(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，人們認為材料表面的機械穩(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，該團隊通過結(jié)合浸潤性理論和機械力學(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，必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應(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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