1. 一种包含自分选双纳米纤维网络的自适应超分子水凝胶

(An adaptive supramolecular hydrogel comprising self-sorting double nanofibre networks)

材料名称:软材料

研究团队:日本京都大学 Hamachi研究组

新型软材料应该包含多种超分子纳米结构，并可以独立控制这些结构对外部刺激的响应(例如组装和拆卸)。这种多组分系统在活细胞中便存在，并且响应于外部刺激而控制由蛋白质、脂质、DNA 和 RNA 组成的各种超分子组装体的形成和分解;但想通过人造来模仿仍具有很大的挑战。Shigemitsu 等人提出了一个混合水凝胶组成的自分选的双网络纳米纤维，其中每个网络都独立响应外部刺激。通过添加 Na2S2O4 或细菌碱性磷酸酶可以改变水凝胶的机械性质和释放其包封蛋白的速率。值得注意的是，凝胶的性质取决于施加外部刺激的顺序。包含正交刺激响应性超分子组装体的多组分水凝胶将适用于设计新型的适应性材料。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0026-6)

2. 铯铅卤化物钙钛矿中明亮的三重态激子

(Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites)

材料名称:铯铅卤化物钙钛矿

研究团队:瑞士Rainò和Norris研究组

纳米结构半导体是由被称为激子的电子态发光的。对于有机材料，洪德规则规定，最低能量的激子是发射贫乏的三重态。对于无机半导体，类似的规则预测这种三重态的类似物被称为“暗激子”。由于暗激子释放光子很缓慢，阻碍了无机纳米结构的发射，所以一直在寻求不遵循这些规则的材料。然而，尽管进行了相当多的实验和理论工作，但是仍没有发现最低激子能够发光的无机半导体。Becker 等人对此的研究表明，铯铅卤化物钙钛矿(CsPbX3，其中 X = Cl，Br 或 I)中的最低激子涉及高发射三重态。首先利用有效质量模型和群理论来证明当钙钛矿的导带中的强自旋轨道耦合与 Rashba 效应相结合时可能出现这种状态。然后，将模型应用于 CsPbX3 纳米晶体，并在单纳米晶体水平上测量了尺寸和组分依赖性荧光。最低激子明亮的三重特征解释了这些材料的异常光子发射率，该速率分别比在室温和低温温度下任何其它半导体纳米晶体快约 20 和 1000 倍。通过分析低温荧光光谱中的精细结构，进一步证实了这种明亮的三重态激子的存在。对于已经用于照明、激光器和显示器的半导体纳米晶体，这些激子可以使材料的发射更加明亮。更普遍地说，这一结果为识别其它表现出明亮激子的半导体提供了标准，对于光电子器件具有潜在的意义。(Nature DOI: 10.1038/nature25147)

3.CePd3 中的相干带激发:中子散射与从头算理论的对照

(Coherent band excitations in CePd3: A comparison of neutron scattering and ab initio theory)

材料名称:CePd3

研究团队:美国阿贡国家实验室Osborn研究组

中间价化合物与许多强相关电子系统一样，被认为显示了从非相干波动局部磁矩的高温状态到相干杂化带的低温状态的交叉。Goremychkin 等人表明对 CePd3 动态磁化率的非弹性中子散射测量，为基于动力学平均场理论的从头计算提供了基准。由于在低温下形成了相干的 f-电子带(振幅由局部粒子-空穴相互作用大幅增强)，因此磁响应与动量强相关。实验与理论之间的一致性表明 Goremychkin 等人对 f-电子相干的温度依赖性具有可靠的第一原理的理解。(Science DOI: 10.1126/science.aan0593)

4. 通过解耦存储和供电提高生物光伏的功率密度

(Enhancing power density of biophotovoltaics by decoupling storage and power delivery)

材料名称:生物光伏器件

研究团队:剑桥大学Howe和Knowles研究团队

利用光合生物作为活性材料来收集光的生物光伏设备(BPV)具有与合成和非生物光伏有关的一系列吸引人的特征，包括其环境友好性和自我修复能力。但 BPV 的效率目前低于合成类似物的效率。Saar 等人展示的 BPV 具有超过 0.5 W?m-2 的阳极功率密度，该值是此前 BPV 的五倍。这一点是通过使用增强了电子输出特性的蓝细菌突变体以及基于微型流动的设计实现的，而这种设计允许独立优化充电和电力输送过程，以及通过利用层流来分离阴极液和阳极液流从而实现无膜运作。这些结果表明，有源元件的微型化和流量控制的解耦操作以及 BPV 设计中所涉及的核心过程的独立优化是提高功率输出的有效策略，因此 BPV 具有作为可行系统用于可持续能源生产的潜力。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0073-0)

5. 纳米光电机械系统

(Nano-opto-electro-mechanical systems)

材料名称:纳米光电机械系统

研究团队:丹麦Midolo的研究组

全球范围内的实验室正在开发一种新型的混合系统，它能够将纳米级器件的光学、电学和机械自由度联系在一起。这些纳米光电机械系统(NOEMS)为实现以高速度低功耗控制纳米光子结构中的光流提供了前所未有的机会。借鉴光学机械领域的概念和技术进步，在经典和量子领域，这些 NOEMS 还具有在微波和光学信号之间作为高效、低噪音传感器的潜力。Midolo 等人前瞻性地讨论了 NOEMS 的基本物理极限，回顾了其实现的最新进展，并提出了在这个领域进一步发展的潜在途径。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-017-0039-1)

6. 有序大孔-微孔金属有机骨架单晶

(Ordered macro-microporous metal-organic framework single crystals)

材料名称:金属有机骨架单晶

研究团队:华南理工大学李映伟研究组

Shen 等人在金属有机骨架(MOF)单晶内构建了高度定向和有序的大孔，以单晶形式开放了三维有序的大孔-微孔材料(即含有大孔和微孔的材料)中的区域。该方法依赖于聚苯乙烯纳米球整体式模板和双溶剂诱导异质成核方法的强大成型效果。该过程使 MOF 在有序空隙内原位生长，并使得单晶具有定向的和有序的大孔-微孔结构。与传统的多晶中空和无序大孔 ZIF-8 相比，这种分层骨架改良的质量扩散性质及其稳定的单晶性质使其具有优异的催化活性和对大分子反应的可回收性。(Science DOI: 10.1126/science.aao3403)

7. 由多响应表面活性剂驱动的机械化和反应性液滴系统

(Systems of mechanized and reactive droplets powered by multi-responsive surfactants)

材料名称:二聚体表面活性剂

研究团队:韩国Grzybowski研究团队

“活化”表面活性剂对各种单一外部刺激如温度、电场或磁场、光、氧化还原过程或化学试剂有响应是众所周知，尽管如此，但将这些性质组合进一种表面活性剂种类内也是很有意义的。这种多响应性表面活性剂可以为操纵单个液滴提供方法，并且有机会将它们组装成更大的动态反应器系统。Yang 等人描述基于官能化纳米粒子二聚体的表面活性剂，它结合了所有以上这些以及其他几个特征。这些表面活性剂及其覆盖的液滴可以同时通过磁场、光场和电场进行寻址。最终，表面活性剂覆盖的液滴可以被组装成各种分层结构，包括动态的结构，其中光为液滴的快速旋转提供动力。这种旋转的液滴可以将机械扭矩传递到它们的非最近邻居，由此起到类似机械齿轮系统的作用。此外，不同类型的液滴可以通过施加电场而合并，并且由于界面干扰，可以形成表面区域覆盖有不同表面活性剂的复杂的、非球形的“不规则”结构。在携带有不同化学物质的液滴系统中，可以通过利用多种刺激的组合，来控制液滴的取向、液滴间的运输、内容物的混合以及最终的化学反应的顺序。总的来说，Yang 等人述的多反应活性表面活性剂提供了前所未有的灵活性，使得液滴可以被操纵、组装和反应。(Nature DOI: 10.1038/nature25137)

8. 对未封装钙钛矿太阳能电池的界面进行定制从而使稳定运行时间超过 1000 小时

(Tailored interfaces of unencapsulated perovskite solar cells for > 1,000 hour operational stability)

材料名称:钙钛矿太阳能电池

研究团队:美国科罗拉多矿业大学 Berry和Luther研究团队

在考虑效率达到 22.7% 的情况下，阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的最紧迫的问题便是还未实现器件的长期稳定性。钙钛矿吸收剂材料都经严格检查，确保易于被水、氧气和紫外线降解。迄今为止，大多数已有的报告都表明了在没有这些外在因素的情况下器件的稳定性。Christians 等人则展示了，即使在光(包括紫外线)、氧气和水分的综合作用下，在环境空气条件下(相对湿度 10-20%)无封装连续运作 1000 小时，钙钛矿太阳能电池仍然可以保持 94% 的峰值效率。整个器件堆叠中的每个界面和接触层在整体稳定性方面都起着重要的作用，当适当修改时，会使得器件出现初始快速衰减(通常称为老化)并逐渐减慢衰减。这种大范围改进的器件架构和对开发的理解将会使得器件性能更加长期持久。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0067-y)