1. 納米級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：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導(dǎo)致脆性斷裂。Banerjee 等人展示了納米級（?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 等人將同時存在高強度和大彈性的應(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于微尺度和更大尺寸樣品相對更加光滑的表面。這一發(fā)現(xiàn)通過對金剛石的納米結(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，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：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，對應(yīng)的耐用、低成本或生物相容材料的設(shè)計仍很有挑戰(zhàn)性。活的動物細(xì)胞一般通過展開以微絨毛或膜褶皺的形式可獲取的膜貯存器來應(yīng)對極端變形。Grandgeorge 等人通過創(chuàng)建納米纖維液體灌注組織（通過毛細(xì)作用誘導(dǎo)的折疊自發(fā)形成的類似的貯存庫）綜合模擬了這種特性。基于對液膜中薄膜屈曲的物理特性的了解，開發(fā)出了概念可驗證的整合化學(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：多晶硅與互補金屬氧化物半導(dǎo)體

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

       從計算和移動設(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，但同時也取決于我們通過集成解決方案來利用其互補物理的能力。這個目標(biāo)受到以下事實的阻礙：大多數(shù)硅納米技術(shù)（促成了我們的處理器、計算機(jī)存儲器、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金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片。并利用這個單一沉積層來實現(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器。Atabaki 等人將這個光子平臺與一個 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。然后在這個平臺上實現(xiàn)了集成的高速光收發(fā)器，每秒可處理十千兆位，由數(shù)百萬個晶體管組成，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)中心和高性能計算中高帶寬光互連的需求。通過將光子器件的形成與晶體管的形成分離開來，這種集成方法可以實現(xiàn)多芯片解決方案的許多目標(biāo)，并同時具有“片上系統(tǒng)”的性能、復(fù)雜性和可擴(kuò)展性。市場上晶體管尺寸已經(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極

       (Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries)

       材料名稱：鋅金屬陽極

       研究團(tuán)隊：美國馬里蘭大學(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極材料。但鋅水化學(xué)反應(yīng)一直存在些不可逆的問題，如庫侖效率（CE）低和電鍍/剝離過程中的枝晶生長以及持續(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)是解決這些問題的一種非常有效的方法。這種獨特的電解液不僅可以在幾乎100％ 的 CE 下實現(xiàn)無枝晶鋅電鍍/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。這些優(yōu)點為使用 LiMn2O4 或 O2 陰極的鋅電池帶來了前所未有的靈活性和可逆性，前者提供了超過 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 200 次循環(huán)的 300 W?h?kg-1（基于陰極時是 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：德國馬普所Cr?ciun研究組

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

       6. 對金紅石型 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：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。Wang 等人對此開發(fā)了第一原理方法來研究在水/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。通過動力學(xué)分析進(jìn)一步使得能夠定量估計過程中每個可能的障礙。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。在實驗條件下，TiO2（110）的固有催化活性并不是主要障礙，而是因為所有涉及光孔的步驟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：加州大學(xué)伯克利分校Martin研究組

       對高效能源利用的需求，推動著對如何收集無處不在的廢熱的研究。Pandya 等人探索了低級熱源的熱電能量轉(zhuǎn)換，其中這些熱源利用了弛豫鐵電體 0.68Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.32PbTiO3 中的強場和強溫激勵的極化磁化率。熱電響應(yīng)（高達(dá)-550μCm-2?K-1）的電場驅(qū)動增強以及介電響應(yīng)（72％）的抑制產(chǎn)生了熱電能量轉(zhuǎn)換的大量優(yōu)點。場以及溫度相關(guān)的熱電測量突出了偏振旋轉(zhuǎn)和場誘導(dǎo)極化在調(diào)節(jié)這些效應(yīng)中的作用。通過熱電埃里克森循環(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％；為迄今報道的最高值，相當(dāng)于溫度變化為 10K 時熱電性能有效 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置相競爭（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0059-8）