1. 納米級(jí)金剛石的超大彈性形變

       （Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond）

       材料名稱：納米尺度金剛石

       研究團(tuán)隊(duì)：香港城市大學(xué)Yang Lu研究組

       鉆石具有相當(dāng)高的硬度和耐用性，但若試圖使鉆石變形則通常會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂。Banerjee 等人展示了納米級(jí)（?300 納米）單晶和多晶金剛石針的超大、完全可逆的彈性變形。對(duì)于單晶金剛石，最大拉伸應(yīng)變（高達(dá) 9％）接近理論彈性極限，相應(yīng)的最大拉伸應(yīng)力達(dá)到約 89 至 98 千兆帕斯卡。在結(jié)合了系統(tǒng)計(jì)算模擬和變形前后結(jié)構(gòu)特征的表征之后，Banerjee 等人將同時(shí)存在高強(qiáng)度和大彈性的應(yīng)變歸因于小體積金剛石納米針中存在的少量缺陷以及相對(duì)于微尺度和更大尺寸樣品相對(duì)更加光滑的表面。這一發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)金剛石的納米結(jié)構(gòu)、幾何形狀、彈性應(yīng)變和物理性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為其提供了用于新應(yīng)用潛力。（Science DOI: 10.1126/science.aar4165）

       2. 毛細(xì)作用激起的薄膜中的極端形變

       （Capillarity-induced folds fuel extreme shape changes in thin wicked membranes）

       材料名稱：PVDF-HFP薄膜

       研究團(tuán)隊(duì)：巴黎第四大學(xué)Antkowiak研究組

       可伸縮電子、智能紡織品或著柔性生物醫(yī)學(xué)裝置等應(yīng)用都需要柔軟可變形的材料。然而，對(duì)應(yīng)的耐用、低成本或生物相容材料的設(shè)計(jì)仍很有挑戰(zhàn)性?；畹膭?dòng)物細(xì)胞一般通過(guò)展開以微絨毛或膜褶皺的形式可獲取的膜貯存器來(lái)應(yīng)對(duì)極端變形。Grandgeorge 等人通過(guò)創(chuàng)建納米纖維液體灌注組織（通過(guò)毛細(xì)作用誘導(dǎo)的折疊自發(fā)形成的類似的貯存庫(kù)）綜合模擬了這種特性?；趯?duì)液膜中薄膜屈曲的物理特性的了解，開發(fā)出了概念可驗(yàn)證的整合化學(xué)表面處理和可伸縮基本電子電路。（Science DOI: 10.1126/science.aaq0677）

       3.集成光子學(xué)與硅納米電子學(xué)用于下一代芯片系統(tǒng)

       (Integrating photonics with silicon nanoelectronics for the next generation of systems on a chip)

       材料名稱：多晶硅與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

       研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)麻省理工學(xué)院Atabaki研究組

       從計(jì)算和移動(dòng)設(shè)備到信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)，電子和光子技術(shù)已經(jīng)大大改變了我們的生活。要解決我們未來(lái)在這些領(lǐng)域的需求，需要分別在每種技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，但同時(shí)也取決于我們通過(guò)集成解決方案來(lái)利用其互補(bǔ)物理的能力。這個(gè)目標(biāo)受到以下事實(shí)的阻礙：大多數(shù)硅納米技術(shù)（促成了我們的處理器、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、通信芯片和圖像傳感器）依賴體硅基底，這是具有豐富供應(yīng)鏈的成本效益型解決方案，但對(duì)于光子功能的集成具有很大限制。Atabaki 等人利用沉積在與晶體管并排制造的氧化硅（玻璃）島上的多晶硅層，將光子引入了體硅的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片。并利用這個(gè)單一沉積層來(lái)實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)和諧振器、高速光學(xué)調(diào)制器和敏感雪崩光電探測(cè)器。Atabaki 等人將這個(gè)光子平臺(tái)與一個(gè) 300 毫米直徑晶圓微電子鑄造的 65 納米晶體管體 CMOS 工藝技術(shù)集成在了一起。然后在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了集成的高速光收發(fā)器，每秒可處理十千兆位，由數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管組成，并排列在一條用于波分復(fù)用的光總線上，以滿足數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算中高帶寬光互連的需求。通過(guò)將光子器件的形成與晶體管的形成分離開來(lái)，這種集成方法可以實(shí)現(xiàn)多芯片解決方案的許多目標(biāo)，并同時(shí)具有“片上系統(tǒng)”的性能、復(fù)雜性和可擴(kuò)展性。市場(chǎng)上晶體管尺寸已經(jīng)有小于 10 納米了，因此隨著新的納米技術(shù)的出現(xiàn)，這種方法可以提供一種將光子學(xué)與最先進(jìn)的納米電子學(xué)相結(jié)合的方法。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0028-z）

       4. 用于含水電池的高度可逆的鋅金屬陽(yáng)極

       (Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries)

       材料名稱：鋅金屬陽(yáng)極

       研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)馬里蘭大學(xué)Chunsheng Wang研究組

       由于金屬鋅（Zn）所具有的高理論容量（820 mA?h?g-1）、低電位（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為 -0.762 V）、高豐度、低毒性和固有安全性，使其被認(rèn)為是理想的水溶液電池陽(yáng)極材料。但鋅水化學(xué)反應(yīng)一直存在些不可逆的問(wèn)題，如庫(kù)侖效率（CE）低和電鍍/剝離過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)以及持續(xù)的水消耗。Wang 等人證明了基于鋅和高濃度鋰鹽的含水電解質(zhì)是解決這些問(wèn)題的一種非常有效的方法。這種獨(dú)特的電解液不僅可以在幾乎100％ 的 CE 下實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶鋅電鍍/剝離，而且還可以在開放的大氣中保持水分，這使得密封電池配置成為了可選項(xiàng)。這些優(yōu)點(diǎn)為使用 LiMn2O4 或 O2 陰極的鋅電池帶來(lái)了前所未有的靈活性和可逆性，前者提供了超過(guò) 4000 次循環(huán)下原本仍能保持 80％ 的容量（180 W?h?kg-1），而后者提供了超過(guò) 200 次循環(huán)的 300 W?h?kg-1（基于陰極時(shí)是 1000 W?h?kg-1）容量。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0063-z）

       5. 聚合物發(fā)光二極管在電流應(yīng)力下形成空穴陷阱

       (Hole trap formation in polymer light-emitting diodes under current stress)

       材料名稱：聚合物發(fā)光二極管

       研究團(tuán)隊(duì)：德國(guó)馬普所Cr?ciun研究組

       聚合物發(fā)光二極管（PLED）對(duì)于大面積顯示器和照明面板很有吸引力，但是它們?cè)陔娏鲬?yīng)力下的穩(wěn)定性有限這阻礙了其商業(yè)化。盡管過(guò)去二十年來(lái)付出了巨大的努力，但我們對(duì)退化機(jī)制的基礎(chǔ)理解仍未完成。Niu 等人證明了恒定電流驅(qū)動(dòng)的 PLED 的電壓漂移是由空穴陷阱的形成引起的，這會(huì)導(dǎo)致自由電子和陷阱空穴之間的非輻射復(fù)合。觀測(cè)到的陷阱形成速率與作為 PLED 降解主要機(jī)制的無(wú)激子空穴相互作用是一致的，這使得能夠統(tǒng)一各種聚（對(duì)亞苯基）衍生物的降解特性。PLED 降解的原因是空穴陷阱的形成，意味著我們可以通過(guò)將發(fā)光聚合物與大能隙半導(dǎo)體混合來(lái)抑制空穴陷阱對(duì)電壓和效率的負(fù)面影響。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0057-x）

       6. 對(duì)金紅石型 TiO2 光催化析氧關(guān)鍵障礙的鑒別

       (Identifying the key obstacle in photocatalytic oxygen evolution on rutile TiO2)

       材料名稱：金紅石型TiO2

       研究團(tuán)隊(duì)：華東理工大學(xué)Hu研究組

       析氧反應(yīng)（OER）作為光催化分解水的瓶頸一度引起了人們的廣泛關(guān)注，但至今其效率仍然低于預(yù)期。催化劑的活性不足（需要克服高反應(yīng)障礙）是一種被廣泛接受的推測(cè)。Wang 等人對(duì)此開發(fā)了第一原理方法來(lái)研究在水/TiO2（110）界面處的光催化 OER。并且證明了一種能夠揭示自由基重要性的完整機(jī)制。通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)一步使得能夠定量估計(jì)過(guò)程中每個(gè)可能的障礙。Wang 等人還證明了，OER 的速率決定因子是隨著到達(dá)表面的光孔（Ch+）密度而變化的。在實(shí)驗(yàn)條件下，TiO2（110）的固有催化活性并不是主要障礙，而是因?yàn)樗猩婕肮饪椎牟襟E都由于光孔密度低而進(jìn)行緩慢。這表明提高 OER 效率的關(guān)鍵是增加 Ch+ 直至達(dá)到估計(jì)閾值（Ch+ =?10-4）。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0055-z）

       7. 弛豫鐵電薄膜中具有大能量密度和功率密度的熱電能量轉(zhuǎn)換

       (Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films)

       材料名稱：鐵電薄膜

       研究團(tuán)隊(duì)：加州大學(xué)伯克利分校Martin研究組

       對(duì)高效能源利用的需求，推動(dòng)著對(duì)如何收集無(wú)處不在的廢熱的研究。Pandya 等人探索了低級(jí)熱源的熱電能量轉(zhuǎn)換，其中這些熱源利用了弛豫鐵電體 0.68Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.32PbTiO3 中的強(qiáng)場(chǎng)和強(qiáng)溫激勵(lì)的極化磁化率。熱電響應(yīng)（高達(dá)-550μCm-2?K-1）的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)以及介電響應(yīng)（72％）的抑制產(chǎn)生了熱電能量轉(zhuǎn)換的大量?jī)?yōu)點(diǎn)。場(chǎng)以及溫度相關(guān)的熱電測(cè)量突出了偏振旋轉(zhuǎn)和場(chǎng)誘導(dǎo)極化在調(diào)節(jié)這些效應(yīng)中的作用。通過(guò)熱電埃里克森循環(huán)演示了將低溫?zé)徂D(zhuǎn)換為電能的固態(tài)薄膜器件，并進(jìn)行了優(yōu)化，得到的最大的能量密度、功率密度、卡諾效率分別為 1.06J?cm-3、526W?cm-3 和 19％；為迄今報(bào)道的最高值，相當(dāng)于溫度變化為 10K 時(shí)熱電性能有效 ZT≈1.16。這一研究結(jié)果表明，這種熱電器件可能與獲取低溫?zé)岬臒犭娧b置相競(jìng)爭(zhēng)（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0059-8）