引言

進(jìn)入2021年，全國高校新一輪學(xué)科評估即將開始。而在過去的幾年里，材料科學(xué)與工程一級學(xué)科被評估為A+的高校共有三所，分別是清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和武漢理工大學(xué)，被評估為A的學(xué)校有五所，分別是北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)。這些學(xué)校可以說引領(lǐng)了材料科學(xué)與工程學(xué)科的教育和研究，因此在本篇中我們總結(jié)了2020年度這些學(xué)校在材料方面的Nature、Science發(fā)文情況。參照國內(nèi)的一般標(biāo)準(zhǔn)，均以第一單位或者通訊作者第一通訊單位是目標(biāo)學(xué)校為準(zhǔn)，并且正式出版日期為2020年。以此為標(biāo)準(zhǔn)，武漢理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及西北工業(yè)大學(xué)均無檢索記錄。

清華大學(xué)

Science：極具耐久性的超長碳納米管

超耐疲勞性的材料在飛機(jī)制造、懸索橋、防彈衣等方面具有廣泛的應(yīng)用價值和巨大的商業(yè)需求。碳納米管作為經(jīng)典的一維納米材料，是目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的材料，但由于其尺寸較小且缺乏有效測量方法，對于單根碳納米管的疲勞行為以及疲勞破壞機(jī)制研究難度很大，嚴(yán)重限制了此類材料的長期發(fā)展。

超長碳納米管的耐疲勞性能

針對這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)的魏飛教授和張如范副教授（共同通訊作者）團(tuán)隊首次以實驗形式測試了厘米級長度單根碳納米管的超耐疲勞性能。研究人員開發(fā)了一種非接觸聲共振測試系統(tǒng)（ART），可對修飾了二氧化鈦納米顆粒的碳納米管進(jìn)行光學(xué)可視化研究。研究發(fā)現(xiàn)，手性不同的碳納米管在共振中顯示出不同的顏色，因此，具有沿其軸向方向發(fā)生結(jié)構(gòu)或手性變化的單個CNT將在該方向上顯示顏色變化。與基于電子顯微鏡的納米材料測試系統(tǒng)相比，ART系統(tǒng)不僅避免了電子束導(dǎo)致的樣品損傷，也使得厘米級長度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。在大應(yīng)變循環(huán)拉伸測試條件下，單根碳納米管可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并且在去掉載荷后，其依然能保持初始的超高抗拉強(qiáng)度，耐疲勞性優(yōu)于目前所有工程纖維材料。此外，對碳納米管的疲勞損傷累積機(jī)制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其疲勞破壞不存在損傷累積過程，同時初始缺陷的生成對碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強(qiáng)超耐疲勞纖維的光明前景，同時為碳納米管在許多領(lǐng)域應(yīng)用的壽命設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

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Science：錫烯薄膜中發(fā)現(xiàn)第二類伊辛配對機(jī)制

超導(dǎo)體臨界磁場是指在外加磁場下超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)所需的磁場強(qiáng)度。而近年來提出的伊辛配對機(jī)制則是為了解釋原子級層厚薄膜在高強(qiáng)度磁場下仍然保持超導(dǎo)態(tài)的現(xiàn)象。由此發(fā)展出來的伊辛超導(dǎo)理論還預(yù)言了臨界磁場的低溫發(fā)散行為。然而，不管是伊辛機(jī)制解釋還是理論預(yù)言都備受爭議，亟需實驗證據(jù)來夯實理論基礎(chǔ)。

三層錫烯的超導(dǎo)性能

由清華大學(xué)薛其坤教授領(lǐng)導(dǎo)的中德團(tuán)隊于2020年在二維超導(dǎo)領(lǐng)域取得了重大突破。該團(tuán)隊的清華大學(xué)張定副教授、德國馬普固態(tài)研究所的Jurgen Smet和北京師范大學(xué)劉海文研究員（共同通訊作者）等人合作，首次在具有高對稱性的錫烯薄膜中觀測到了數(shù)倍于理論預(yù)期的臨界磁場，并清晰地觀測到了溫度逼近絕對零度時臨界磁場的發(fā)散行為，獲得了伊辛超導(dǎo)實驗證據(jù)。研究利用原位旋轉(zhuǎn)測量技術(shù)，在極低溫強(qiáng)磁場下系統(tǒng)測量了不同厚度錫烯樣品在近乎整個超導(dǎo)溫度區(qū)間上臨界磁場變化行為，發(fā)現(xiàn)上臨界磁場不僅超出泡利極限，而且在溫度逼近絕對零度時仍無飽和跡象，證實了伊辛超導(dǎo)行為。進(jìn)一步的理論研究認(rèn)為，這些現(xiàn)象是基于自旋軌道耦合與材料對稱性的共同作用，屬于新一類伊辛配對機(jī)制。該工作不但為伊辛超導(dǎo)的存在提供了實驗證據(jù)，也拓寬了人們尋找伊辛超導(dǎo)的材料范圍。

文獻(xiàn)鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6485/1454

Science：揭示金屬3D打印中匙孔氣泡缺陷的起源

匙孔氣泡與微流噴射

激光粉末床熔融成形是金屬3D打印中廣泛使用的一門技術(shù)，特別是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的制造方面優(yōu)勢明顯。然而，該成形過程中氣泡的存在始終會影響零部件的性能，因此理解氣泡的形成機(jī)制對優(yōu)化激光粉末床熔融成形技術(shù)至關(guān)重要。清華大學(xué)的趙滄、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Anthony Rollett和弗吉尼亞大學(xué)的Tao Sun（共同通訊作者）等人利用告訴X射線成像技術(shù)對鎖孔形成進(jìn)行了細(xì)致的觀測。研究介紹，高速X射線能夠在Ti-6Al-4V合金中對由匙孔尖端的臨界失穩(wěn)所造成的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位觀測。而經(jīng)過觀測，宏觀層面上，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界清晰而平滑，且受金屬粉末加入的影響甚微。在微觀層面上，這些氣泡缺陷的形成與匙孔根部的臨界失穩(wěn)有關(guān)；后者可以在熔池中釋放出聲波（沖擊波），進(jìn)而驅(qū)動氣泡快速遠(yuǎn)離匙孔、并被凝固前端捕捉。因此，研究認(rèn)為對孔隙缺陷形成的理解為避免孔隙產(chǎn)生從而構(gòu)建高質(zhì)量金屬部件提供了路線圖。

文獻(xiàn)鏈接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abd1587

北京航空航天大學(xué)

Nature：超強(qiáng)層狀結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料

諸如骨、牙以及肌肉等組織都是兼具強(qiáng)度和韌性的生物材料。這些優(yōu)異的性能大都?xì)w因于無機(jī)納米纖維在有機(jī)基質(zhì)中能夠呈現(xiàn)出精妙的層狀微觀結(jié)構(gòu)。受此生物結(jié)構(gòu)啟發(fā)，包括層層組裝、真空過濾等策略已經(jīng)被用于發(fā)展層狀納米復(fù)合材料。然而，如何將超強(qiáng)層狀納米復(fù)合材料通過簡單易行的方法進(jìn)行量產(chǎn)化制備依然是亟待解決的問題。

層狀納米復(fù)合材料的制備和機(jī)理

北京航空航天大學(xué)的劉明杰（通訊作者）等人報道了一種在水凝膠/油界面利用剪切-流變誘導(dǎo)排列二維納米片生產(chǎn)高度有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的方法。利用這一策略可制備基于氧化石墨烯和粘土納米片的納米復(fù)合材料，其抗張強(qiáng)度（tensile strength）和楊氏系數(shù)（Young's modulus）分別可以達(dá)到1215 ± 80MPa和198.8 ± 6.5GPa。特別是基于粘土納米片的納米復(fù)合材料，還展現(xiàn)出高達(dá)36.7 ± 3.0兆焦耳每立方米的韌性強(qiáng)度，這一強(qiáng)度數(shù)值比天然珍珠高20.4倍。定量分析還發(fā)現(xiàn)，排列有序的納米片能夠形成界面相，最終導(dǎo)致納米復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度。研究認(rèn)為這一材料制備策略可以成為組裝二維納米纖維的通用方法，有利于高性能復(fù)合材料的發(fā)展。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8

Nature：單層材料制備新方法

合成機(jī)理圖

傳統(tǒng)制備二維過渡金屬硫族化合物通常分為“自上而下”的合成方法和 “自下而上”的制備方法。但這些方法合成二維過渡金屬硫族化合物的產(chǎn)率/單層率非常低（<1%），同時材料結(jié)構(gòu)（尤其1T相）不穩(wěn)定，嚴(yán)重限制了二維材料的應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)的楊樹斌和萊斯大學(xué)的Pulickel M. Ajayan（共同通訊作者）等人提出合成二維材料的新方法——拓?fù)滢D(zhuǎn)化法，通過逐步轉(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。以MAX相為例，通過高溫反應(yīng)，較弱的金屬鍵不穩(wěn)定，導(dǎo)致非范德華固體中的A相與含硫族元素的氣體反應(yīng)生成氣態(tài)產(chǎn)物，而M相則會反應(yīng)形成二維過渡金屬硫族化合物。通過調(diào)控MAX相的組成或者在反應(yīng)體系中引入其他反應(yīng)物，可以合成具有較高單層率（~30%）、超高溫穩(wěn)定（>1000攝氏度）的二維過渡金屬硫族化物（2H/1T相）。文章合成了14種具有可控相結(jié)構(gòu)的過渡金屬硫族化合物，為攻克單層二維材料難以制備和不穩(wěn)定等難題提供了新的途徑。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x

Nature：高韌性金剛石復(fù)合材料

硬度和韌性（防止斷裂）之間的平衡對材料性能提升至關(guān)重要，這一點(diǎn)在金剛石中體現(xiàn)得尤為明顯。通過納米構(gòu)造策略既可以增加金剛石硬度，同時也可以韌化金剛石。為了進(jìn)一步提高材料韌性，研究人員還發(fā)明了仿生復(fù)合增韌、轉(zhuǎn)變增韌以及雙相增韌等策略。然而這些策略卻還未在金剛石類材料上實現(xiàn)增韌效果。

nt-金剛石復(fù)合材料的典型微結(jié)構(gòu)

燕山大學(xué)的周向鋒、田永君以及北航的郭林（共同通訊作者，郭林的第一通訊單位是北航）聯(lián)合團(tuán)隊發(fā)文研究表征了金剛石復(fù)合材料。這種復(fù)合材料由金剛石多型（polytypes）、交織的納米孿晶以及連鎖的納米晶粒分級組裝而成。研究表明，相比于納米構(gòu)造策略，這一分級結(jié)構(gòu)能夠在不犧牲材料硬度的同時顯著增強(qiáng)復(fù)合材料的韌性——增強(qiáng)的韌性更是超越鎂合金達(dá)到人造金剛石的五倍之多。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷裂產(chǎn)生時，裂縫通過3C（cubic）多型中納米孿晶進(jìn)行Z型擴(kuò)散；當(dāng)裂痕遇到非3C多型區(qū)域時，則會促使斷裂表面附局部地轉(zhuǎn)變成3C金剛石。以上兩種裂痕擴(kuò)散過程都會驅(qū)散減弱應(yīng)變能，從而增強(qiáng)材料韌性。因此，文章認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)能夠在超硬材料以及工程陶瓷領(lǐng)域有所應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2361-2

上海交通大學(xué)

Science：無機(jī)塑性半導(dǎo)體

無機(jī)半導(dǎo)體在信息、傳感器、催化以及能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用的價值。作為柔性電子器件的核心，半導(dǎo)體材料期望具有良好的電學(xué)性能與優(yōu)異的可加工和變形能力。然而，盡管電學(xué)性能優(yōu)異，目前大多數(shù)塊體無機(jī)半導(dǎo)體在室溫條件下都具有內(nèi)生脆性，缺乏可塑性和變形能力大大限制了無機(jī)半導(dǎo)體的進(jìn)一步發(fā)展。

硒化銦單晶塊體的超常塑性

中科院上海硅酸鹽研究所的陳立東、美國克萊姆森大學(xué)的Jian He以及上海交通大學(xué)的史迅（共同通訊作者）等人聯(lián)合報道了在二維硒化銦中發(fā)現(xiàn)超塑性變形能力（superplastic deformability）。研究發(fā)現(xiàn)，相比于多晶的硒化銦半導(dǎo)體，塊體單晶硒化銦能夠被數(shù)量級水平地進(jìn)行壓縮，從而可以在室溫下演變成莫比烏斯帶或者結(jié)構(gòu)簡單的類折紙形態(tài)。研究認(rèn)為，在長程銦-硒庫侖作用以及軟性層內(nèi)銦-硒鍵合的介導(dǎo)下，二維半導(dǎo)體會發(fā)生層間滑動（interlayer gliding）和跨層的位錯滑移（dislocation slip）現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了這一超常的可塑性行為。此外，研究人員還設(shè)計了一種綜合性的可變形指標(biāo)，可以對候選塊體半導(dǎo)體進(jìn)行預(yù)篩選，以此作為下一代可變形/柔性電子器件的潛在材料。

文獻(xiàn)鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6503/542

浙江大學(xué)

Nature：新型的量子相變和奇異金屬

CeRh6Ge4的晶體結(jié)構(gòu)及鐵磁性質(zhì)

量子相變廣泛存在于量子材料中，是凝聚態(tài)物理的重要前沿研究領(lǐng)域。隨著研究的深入，量子相變理論的新現(xiàn)象在一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料體系中不斷出現(xiàn)。因此，研究量子臨界點(diǎn)的電子態(tài)變化，揭示量子臨界行為的普適性，完善量子相變理論仍是當(dāng)今的重要課題。浙江大學(xué)的袁輝球、Michael Smidman和羅格斯大學(xué)的Piers Coleman（共同通訊作者）等人首次在純凈的近藤晶格材料CeRh6Ge4中發(fā)現(xiàn)鐵磁量子臨界點(diǎn)存在的確鑿實驗證據(jù)，并且觀察到奇異金屬行為。CeRh6Ge4是一種準(zhǔn)一維晶體，在低于2.5K溫度時會發(fā)生鐵磁相變，同時在較高的磁場下，其磁矩會隨磁場的增加而增加。通過極端條件下的電阻、比熱、磁化率等多種物性測量，研究發(fā)現(xiàn)該化合物的鐵磁序隨著壓力的增加而逐漸被抑制，在臨界壓力pc約為0.8GPa時出現(xiàn)了鐵磁量子臨界點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)打破了人們對鐵磁量子臨界點(diǎn)的傳統(tǒng)認(rèn)知，為研究量子相變、揭示奇異金屬行為開辟了新的方向。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2052-z

Science：透射電鏡觀察水分子在二氧化鈦活性位點(diǎn)的反應(yīng)

水蒸氣環(huán)境中的重構(gòu)二氧化鈦表面的動態(tài)原子結(jié)構(gòu)演變

在分子水平上對反應(yīng)進(jìn)行成像可以為理解催化反應(yīng)機(jī)理提供直接的信息，然而目前還沒有研究報道在原子尺度直接觀測分子如何在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)。浙江大學(xué)張澤院士、王勇教授，上海應(yīng)用物理所高嶷以及丹麥技術(shù)大學(xué)Jakob B. Wagner（共同通訊作者）等人合作利用環(huán)境透射電子顯微鏡，首次在原子尺度觀察到催化劑活性位點(diǎn)上水分子的吸附活化和反應(yīng)。研究以納米晶體銳鈦礦二氧化鈦作為催化劑，該氧化鈦表面為001型結(jié)構(gòu)，發(fā)生重構(gòu)具有特殊的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，每四個晶格出現(xiàn)一個凸起。當(dāng)水分子全部吸附在這一凸起上時，沿著這列凸起方向投影就應(yīng)該能獲得足夠襯度的電子顯微鏡照片，從而可能看到水分子構(gòu)型。以此進(jìn)行實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)水分子進(jìn)入體系后，解離為羥基和氫離子并與表面作用形成兩個羥基和水分子的復(fù)合結(jié)構(gòu)附著在這些凸起上。進(jìn)一步地，研究將一氧化碳通入電子顯微鏡中，從溫度、氣壓等各方面模擬出一個實際的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)羥基和水分子的復(fù)合結(jié)構(gòu)會消失，證實了水煤氣催化反應(yīng)的發(fā)生。這一研究成果對于揭示催化機(jī)理、進(jìn)而設(shè)計更好的催化劑具有重大的意義。

文獻(xiàn)鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6476/428

Science：多相催化劑體系實現(xiàn)高效甲烷轉(zhuǎn)化

AuPd@ZSM-5-R和AuPd/ZSM-5催化劑的模型和TEM圖像

由于甲烷儲量豐富、甲醇具有高應(yīng)用價值，因此如何實現(xiàn)甲烷轉(zhuǎn)化甲醇一直是重要的研究課題。在制備甲醇的過程中，甲烷需要與催化劑介導(dǎo)的雙氧水反應(yīng)。然而，雙氧水與甲烷往往反應(yīng)不充分，導(dǎo)致甲烷的轉(zhuǎn)化率很難突破3%。針對這一問題，浙江大學(xué)王亮研究員和肖豐收教授團(tuán)隊（共同通訊作者）報告了一種在溫和溫度（70°C）下通過原位產(chǎn)生過氧化氫來提高甲烷轉(zhuǎn)化甲醇效率的多相催化劑系統(tǒng)。通過在硅酸鋁沸石晶體中固定AuPd合金納米粒子，再用有機(jī)硅烷修飾沸石的外表面，從而合成催化劑。沸石分子篩能夠穩(wěn)定金屬納米顆粒催化中心，避免了聚集現(xiàn)象，同時還能篩去雜質(zhì)分子。長鏈的硅烷具有疏水性，能夠避免親水的雙氧水的向外擴(kuò)散，使其富集濃度增加了萬倍級水平。這樣一來，甲烷的氧化反應(yīng)可加快進(jìn)行，同時還能削弱產(chǎn)物甲醇與雙氧水的競爭反應(yīng)。實驗發(fā)現(xiàn)，在70°C下，甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的轉(zhuǎn)化率為17.3%，甲醇選擇性可達(dá)到92%，是目前的最高的水平。這項工作針對極具挑戰(zhàn)性的催化反應(yīng)設(shè)計了新型催化劑材料，為甲烷在能源體系中的應(yīng)用提供了新的策略和思路。

文獻(xiàn)鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6474/193