超材料前沿研究一周精选 2022年6月27日-2022年7月3日

纵观历史，材料的发展与社会的发展紧密联系。材料科学的基本目标是通过可制造、可持续和经济的途径预测和创造具有不断改进的特性和新功能的材料。材料科学的关键是材料在原子和分子水平上的微观结构与其特性之间的关系；这种理解导致了在力学、计算和能量存储方面改变世界的材料发现。结构材料（具有设计成特定空间布置的中尺度、微尺度甚至纳米尺度组件的结构）的发展引入了一种新的构建自由度，用于编码不同于或超过其组成材料的特性。典型的例子包括像流体一样变形的固体，具有接近于零的剪切与体积模量比，通常是脆性陶瓷，它们会在压缩时变形和恢复。制造技术的进步，尤其是增材制造技术的进步，使材料成分能够在多个长度尺度上进行空间变化，从而能够合理设计具有增强特性和新功能的结构材料。结构材料在材料属性空间中占据了以前未开发的领域（如超低导热率和同时低密度和高强度），且它们通常具有诸如负泊松比和机械不可见性等奇异特性，因此被称为“超构材料”。

近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室夏晓星研究员团队综述了在空间和时间上构建的各种材料，以及它们对各种刺激的响应，包括机械驱动、温度和化学环境的变化以及电磁场的变化。超越了结构材料的静态特性，涵盖了结构材料的进展，这些进展可以通过遵循预先编程的轨迹随着时间的推移而发展。这些动态材料，在空间和时间上构建，挑战了一旦组件制造出来，材料就停滞不前的传统观念。它们可以对广泛的刺激做出反应，重构为不同的几何形状或适应周围环境。当触发时，结构材料可以获得不同的机械性能或化学反应性，通过结构变化释放携带的货物或在指定位置失效。这种内置的响应能力可以在“智能”材料中实现新的功能，这些材料可以直接在材料层面在特定环境或条件下做出反应、部署和进化。如结构材料可以通过按需结构转换来隐藏和揭示信息；不受束缚的移动机器人可以由温度变化提供动力，由光引导或由磁场操纵；自我调节的化学机械系统可以针对环境扰动保持稳态温度范围。文章强调了可以精确规定复杂几何形状和局部不均匀性的增材制造方法，以使这种响应成为可能。讨论了在结构材料中观察到的与经典材料类似的涌现物理现象（如缺陷的形成和行为、相变和拓扑保护特性）。最后，通过机械逻辑和人工神经网络，对未来具有一定程度智能的结构材料进行了展望。相关研究发表在《Nature Reviews Materials》上。（徐锐）

文章链接：

Xia, X., Spadaccini, C.M. & Greer, J.R. Responsive materials architected in space and time. Nat Rev Mater (2022).

https://doi.org/10.1038/s41578-022-00450-z

弹性模量类似于生物组织的软材料和器件具有优异的弹性和柔韧性，具有更好的运动灵活性、更高的环境适应性和更安全的人机交互。这种材料在可穿戴电子器件、先进医疗设备和软体机器人中的潜在应用受到广泛关注。然而，软材料的柔软性和承载能力之间具有明显矛盾，因为其承载能力远低于刚性材料。受人类有机体可以主动调整刚度以适应复杂环境并在有意识控制下执行不同任务的启发，主动改变其自身结构的软材料引起了研究人员的兴趣。刚度根据需要改变可以解决上述悖论。凭借刚度可调能力，软材料可以执行更多任务。目前，一系列刚度可调的智能材料已被开发出来，包括形状记忆合金、形状记忆聚合物等。根据响应信号，刚度可调智能材料可分为四类：热激活、电激励、磁感应和压力控制。目前刚度可调材料的低转变速度、高能耗以及有限的可扩展性和通用性仍然制约着其小型化、快速响应、灵活的组装和自主操作。为了获得更好的可调刚度性能，需要提出和评估创新材料和设计。由于低熔点合金良好的生物相容性、高沸点、出色的导热/导电性、室温附近的可逆相变，以镓基合金和铋基合金为代表的低熔点合金越来越受到关注，有望解决传统刚度可调材料的缺陷。

近日，中国科学院理化技术研究所刘静研究员和武汉纺织大学吕永钢教授从材料体系、调控原理与方法、可实现机制和应用场景等方面系统地回顾了低熔点合金使能刚度可调材料。首先，根据结构差异，评估了三种具有低熔点合金功能的刚度可调材料系统。然后，从基本的低熔点合金修改到动态外场控制，阐述了调节策略，并梳理了主流的刚度调节模式。随后，系统总结和讨论了低熔点合金使能刚度可调材料的多样化应用。最后，提供了对低熔点合金刚度可调材料的潜力和挑战的详细解释。文章有望对指导未来智能材料、功能实体、可变形机器人等的设计具有重要意义。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Hao, J. Gao, Y. Lv, et al. Low Melting Point Alloys Enabled Stiffness Tunable Advanced Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2022.

https://doi.org/10.1002/adfm.202201942

声学镊子(ATs)因其在材料科学、化学和生物医学等领域的巨大应用潜力而受到科研人员的广泛关注。与其他微操纵技术相比，AT具有无损伤、生物相容性好、无标签、工作距离长等优点，已被用于直接操作颗粒、细胞和生物体。根据产生的方法的不同，AT原则上有两种：有源AT和无源AT。有源AT由有源发射器构成，包括具有一定几何形状的单个声源、具有一定空间排列的多个声源和声源阵列。它们可以通过对每个声源进行电路控制来实现预先设计的声场，用于捕获和操纵物体。有源AT可以提供强大的和可调谐的声辐射力，但缺点是昂贵和体积大。近十年来，声学人工结构如声子晶体、超材料、超表面、人工平板等被用来调节入射声场并实现ATs。其中，声学人工平板(AAP)是一种高效、简单、廉价的声场调制和操纵物体的方法。

近日，南京师范大学物理科学与技术学院吴大建等人提出了一种基于混合声学人工平板的无源声镊，该装置可产生一种混合声聚焦花瓣束(HAFPB)，用于在三维空间捕获和操纵米氏微粒。在HAFPB中，横向声聚焦花瓣束和轴向双聚焦声束(BAB)相结合，形成一个中心零强度区域，用于捕获粒子。该区域可以通过调制HAFPB的拓扑荷进行调控。此外，研究人员研究了用于不同直径的米氏粒子操纵的声辐射力。结果表明粒径对聚苯乙烯颗粒上的声辐射力值影响很大。如果粒子大于中心零强度区，则需要一个具有更大拓扑电荷和更强BAB的声镊来捕获和操纵这个更大的粒子。最后，实验证明，声镊可以在三维方向上稳定地捕获和操纵水中的大的米氏粒子。作者表示，声镊有望成为颗粒运输、生物医学分析或靶向药物输送中较大物体的三维操纵的有用工具。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：

Yan-Chun Luo, et al. Three-Dimensional Trapping and Manipulation of a Mie Particle by Hybrid Acoustic Focused Petal Beams. Physical Review Applied(2022).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.064059.

大型计算设施，如大数据中心和超级计算机，已成为主要的能源消耗者，其电力预算通常超过100 MW。有人认为，该功率的一小部分足以将设施冷却到低温，适合超导体（SC）的运行。SC电子不仅可以通过消除电阻损耗来有效利用能量，还可以大大提高运行速度。由于没有电阻，R=0，RC时间常数不再是限制因素。最终工作频率由SC能隙决定。对于许多SC来说，它处于太赫兹范围。这使得时钟频率比现代半导体电子器件高出几个数量级。这种观点重新引起了人们对开发数字SC计算机的兴趣。二极管是主要的电子元件之一。其非互易电流-电压（I-V）特性允许对交流电进行整流，这是信号处理和交直流转换所必需的。众所周知，非互易性可能出现在空间不对称SC设备中。基于空间非均匀约瑟夫森结（JJs）的SC二极管在10年前得到了长时间的演示。然而，这种空间不对称设备仅在有限磁场下工作，而计算机组件应在零磁场下工作。时间反转对称性禁止H=0时的非互易性，时间反转对称性要求电流和磁场同时翻转时电磁特性的不变性。因此，零场SC二极管需要破坏空间和时间反转对称性。

近日，来自瑞典斯德哥尔摩AlbaNova大学中心、斯德哥尔摩大学物理系的Taras Golod等人演示了在零磁场下工作的超导二极管的原型。它们基于传统的铌平面约瑟夫森结，其中空间/时间对称性被非均匀偏置的自场效应和捕获的Abrikosov涡旋的杂散场的组合打破。他们证明，这种二极管中临界电流的非互易性可以达到一个数量级，整流效率可以超过70%。此外，通过改变偏置配置和捕捉/消除涡流，他们可以轻松地改变二极管极性并打开/关闭非互易性。这有助于实现记忆功能。他们认为，这种带有内存的二极管可以用于下一代内存超导计算机。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）

文章链接：

Taras Golod et al. Demonstration of a superconducting diode-with-memory, operational at zero magnetic field with switchable nonreciprocity. Nature Communications (2022) 13:3658

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31256-w

太赫兹频率范围内的光学频率梳是人们期待已久的分子光谱学和高速无线通信的频率标准。然而，此类光源通常依赖于耗能和昂贵的飞秒激光器。基于半导体器件的高效、廉价的太赫兹频率梳形源的开发仍在进行中。量子级联激光器（QCL）是一种基于半导体的太赫兹频率梳状源的有希望的候选者，它是一种发射瓦特级太赫兹波的紧凑型器件。此外，中红外QCL梳中的差分频率生成已被用于在室温下制作1.8至3.3 THz的频率梳。然而，QCL很难产生低于1.8 THz的太赫兹梳。也有基于硅CMOS技术的器件。例如，基于乘法器的频率梳源被证明可用于220至330 GHz范围内的光谱学,以及使用双极CMOS器件生成0.03至1.1 THz的频率梳。然而，CMOS器件很难产生更高频率的太赫兹波。

近日，来自日本京都大学科学研究生院物理系的Tomoki Hiraoka等人证明了谐振隧道二极管（RTD）振荡器可以通过光反馈被动锁模，并产生太赫兹频率梳。通过应用外部偏置调制，梳状线之间间距的标准偏差（即重复频率）可减小到420 mHz以下。通过考虑RTD的非线性电容和多重光反馈，仿真模型成功地再现了锁模行为。由于锁模RTD振荡器是一种简单的半导体器件，可在室温下工作并覆盖0.1至2 THz（可能高达3 THz）的频率范围，因此可用作未来太赫兹传感和无线通信的频率标准。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）

文章链接：

Tomoki Hiraoka et al. Passive mode-locking and terahertz frequency comb generation in resonant-tunneling-diode oscillator. Nature Communications (2022) 13:3740

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31071-3

二维(2D)材料包括单晶、二元和三元晶体等不同体系，由于其在量子器件和信息技术方面具有潜在的应用前景，因此被受到广泛关注。为研究其潜在的物理特性并实现其潜在的应用，研究学者致力于合成超薄的2D材料。到目前为止，已经利用不同的制备方法制备了多种不同类型的2D材料。近年来，近年来，虽然合成二元过渡金属硫族化合物(TMCs)的工作很少，但具有不同相/组成的二元硫族化合物的可控合成并不简单，特别是二维过渡金属磷硫族化合物(TMPCs)晶体的制备更具有挑战性。到目前为止，还没有一种通用的方法来合成这些二维多相/复合材料。这是因为它们具有可变的价态以及多态的特征，例如MX(六边形和四边形)、MX₂(六边形和四边形)、M₂X₃、M₃X₄、M₅X₈、MPX、MPX₃等。这些都使得制备单相TMPCs和TMCs的化学反应变得不可控。值得注意的是，这些TMPCs和TMCs具有丰富的原子结构和奇特的物理性质，例如，MPX₃、Fe_xGeTe₂和FeSe_xTe_1-x是研究二维反铁磁性、铁磁性和拓扑超导的理想材料。另外，TMPCs为研究多体激子和自旋电子器件提供了极好的研究平台。因此，单组分或单相晶体的可控合成具有重大意义。

近日，北京理工大学姚裕贵教授团队与南洋理工大学刘政副教授团队合作提出了一种基于竞争化学反应的TMPCs与TMCs晶体的化学气相沉积生长机制，以操纵成核及生长速率。基于该生长机理，实现了67种结构可控、成分可调的TMCs和TMPCs二维材料的制备。研究发现，FeX_y中的铁磁性和超导性可以通过改变y值来调控，例如FeX中的超导性以及FeS₂单分子层展现出的铁磁性等。该工作不仅为原子薄尺寸TMCs和TMPCs的合成开辟了一条新途径，并提出了一种新颖的生长机制，这对全面理解二维材料的生长具有重要意义。所制备的具有可控相、成分和异质结构的晶体将为探索包括二维相变、二维铁磁、二维超导、马约拉纳束缚态、自旋电子学和多体激子在内等物理现象提供可能性。相关研究工作发表在《Nature Materials》上。（袁铭谦）

文章链接：

Zhou, J., Zhu, C., Zhou, Y. et al. Composition and phase engineering of metal chalcogenides and phosphorous chalcogenides. Nature Mateials. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01291-5

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