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2021年Advanced Materials最新封面文章賞析

來源：測試GO 時(shí)間：2021-08-10 15:33:06 瀏覽：3259次

期刊簡介

Advanced Materials（ISSN: 1521-4095，2021最新影響因子為30.849）是工程與計(jì)算大學(xué)科、材料與化學(xué)大領(lǐng)域（包含材料化學(xué)、材料物理、生物材料、納米材料、光電材料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料、電子材料等）的頂級(jí)期刊，主要接收與材料領(lǐng)域相關(guān)的頂尖科研成果，在材料領(lǐng)域科享譽(yù)盛名。

在Google公司對(duì)八大領(lǐng)域（商業(yè)經(jīng)濟(jì)與管理、材料與化學(xué)、工程與計(jì)算科學(xué)、健康與醫(yī)藥科學(xué)、人類文學(xué)與藝術(shù)、生命與地球科學(xué)、物理與數(shù)學(xué)、社會(huì)學(xué)）所有期刊的排名中，Advanced Materials在工程與計(jì)算科學(xué)大學(xué)科領(lǐng)域所有雜志中排名第一。

作為材料領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊之一，Advanced Materials的文章質(zhì)量毋庸置疑，因此，該期刊上發(fā)表的最新成果尤其是封面文章在一定程度上也代表了材料領(lǐng)域的近期的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。為此，筆者特意選取了Advanced Materials期刊2021年最新幾期的封面文章，進(jìn)行介紹解讀，希望與讀者分享材料領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)。

封面文章賞析

1、3D打印一次性超級(jí)電容器

超級(jí)電容器特別是雙電層電容器（EDLCs）因其長循環(huán)壽命、高功率密度、高電容和快速充電特性而受到廣泛關(guān)注。實(shí)驗(yàn)證明，許多雙電層電容器的組成材料來源于可生物降解或可食用材料，這使得雙電層電容器成為熱門的一次性綠色儲(chǔ)能設(shè)備。對(duì)于電子產(chǎn)品，所謂一次性設(shè)備是指可以隨時(shí)扔進(jìn)垃圾桶、不會(huì)釋放有毒氣體，且最終會(huì)分解成無毒無害產(chǎn)物的設(shè)備。盡管如此，開發(fā)一次性EDLC依然受到原材料和制備方法的限制。

有鑒于此，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所的Gustav等人^[1]通過3D打印設(shè)計(jì)了一種一次性超級(jí)電容器，它由功能油墨開發(fā)，完全基于可再生和無毒原材料。3D打印的EDLC作為無金屬超級(jí)電容器，具有優(yōu)異的性能，在1 mV s^-1時(shí)的比電容為25.6 F g_AC^-1，漏電流為40 μA。它還可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，工作電壓高達(dá)1.2 V，并能抵抗較大的機(jī)械應(yīng)力。在達(dá)到使用壽命后，3D打印的EDLC可以在幾周內(nèi)迅速無毒地分解。該工作為智能電子設(shè)備的增材制造提供了可行性。

圖1 3D打印一次性超級(jí)電容器示意圖

2、超導(dǎo)石墨烯中YSR態(tài)的觀察

由于零自旋電子對(duì)的相干多體態(tài)的形成，在許多材料中都觀察到了超導(dǎo)（SC）現(xiàn)象。促進(jìn)磁性的相互作用往往會(huì)破壞大多數(shù)材料中的超導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)磁性雜質(zhì)擾動(dòng)時(shí)，超導(dǎo)序在局部被耗盡，從而導(dǎo)致間隙內(nèi)束縛態(tài)的出現(xiàn)，這稱為Yu-Shiba-Rusinov (YSR)態(tài)。通過掃描隧道顯微鏡和光譜學(xué)對(duì)超導(dǎo)體上Mn原子的YSR態(tài)的測量，首次提供了對(duì)單個(gè)原子磁性的直接觀測，因?yàn)榘驳律ɡ砼懦嗽跁r(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱保持的情況下，間隙內(nèi)YSR態(tài)的存在。

目前，人們已經(jīng)在各種系統(tǒng)中觀察到在間隙內(nèi)的YSR態(tài)，這些系統(tǒng)以分子、自組裝、人工原子鏈和磁島等形式將超導(dǎo)體與磁矩結(jié)合起來。同時(shí)，由于石墨烯既缺乏超導(dǎo)性，又缺乏磁性，因此純石墨烯并非尋找YSR態(tài)的最佳系統(tǒng)。然而，石墨烯可以通過鄰近效應(yīng)誘導(dǎo)超導(dǎo)性，并在石墨烯晶界（GBs）中產(chǎn)生磁性。當(dāng)單個(gè)氫原子的化學(xué)吸附引起局部磁矩時(shí)，YSR態(tài)被預(yù)測出現(xiàn)在具有超導(dǎo)鄰近間隙的石墨烯中，這導(dǎo)致了磁矩的出現(xiàn)。

有鑒于此，西班牙馬德里自治大學(xué)的Brihuega等人^[2]利用Pb島在石墨烯中誘導(dǎo)超導(dǎo)性，利用GB作為局部磁矩的來源，首次實(shí)現(xiàn)石墨烯中的YSR態(tài)。該研究結(jié)果為探索石墨烯中包含磁性和超導(dǎo)性的奇異電子相提供了起點(diǎn)，有望導(dǎo)致GBs拓?fù)涑瑢?dǎo)性的出現(xiàn)。

圖2 GB磁性在超導(dǎo)石墨烯中誘發(fā)YSR態(tài)

3、基于三維有序Mxene/黑磷復(fù)合薄膜的柔性自供電集成傳感系統(tǒng)

具有長續(xù)航時(shí)間、高操作安全性和機(jī)械靈活性的可穿戴柔性傳感器在下一代生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中應(yīng)用前景巨大。其中，可以同時(shí)為設(shè)備供電并檢測電信號(hào)變化的集成化多功能器件引起了人們廣泛的興趣。為了確保整個(gè)自供電系統(tǒng)在無陽光等環(huán)境中持續(xù)運(yùn)行，完全集成的自供電設(shè)備由能量收集、轉(zhuǎn)換設(shè)備、能量存儲(chǔ)單元和功能設(shè)備組成。然而，大多數(shù)集成化自供電設(shè)備通常使用多種不同材料來實(shí)現(xiàn)其多功能化。因此，如何優(yōu)化材料的合成工藝，降低器件集成的復(fù)雜性和成本，設(shè)計(jì)具有多重特性的功能材料成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

基于此，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所沈國震等人^[3]制備了一種基于MXene/黑磷（MXene/BP）的自供電可穿戴系統(tǒng)，用于連續(xù)檢測人類生理信號(hào)。作者通過自組裝工藝得到層狀結(jié)構(gòu)的MXene/BP，并通過激光雕刻技術(shù)將其制備成微型超級(jí)電容器來儲(chǔ)存太陽能電池產(chǎn)生的能量，以驅(qū)動(dòng)同樣基于MXene/BP制備的壓力傳感器。在此系統(tǒng)中，柔性超級(jí)電容器提供了896.87 F cm^-3的體積電容，柔性壓力傳感器顯示出高檢測靈敏度(77.61 kPa^-1)和快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(10.9/12.9 ms)。因此，該自供電智能傳感器系統(tǒng)可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測人體脈搏，并可用作可穿戴腕帶。這種先進(jìn)材料和設(shè)備的集成方法為下一代自供電產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了思路。

圖3 基于MXene/ BP的自供電智能傳感器系統(tǒng)示意圖

4、柔性鋅離子電池：從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療、汽車和航空等各個(gè)領(lǐng)域中捕獲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的需求也在不斷增長。其中，柔性可穿戴電子產(chǎn)品逐漸引起了人們的興趣，如可植入醫(yī)療設(shè)備、可穿戴健康監(jiān)控系統(tǒng)、柔性顯示器和智能衣服等。與此同時(shí)，由于水系可充電鋅離子電池（ZIBs）的發(fā)展，柔性ZIBs被視為為可穿戴電子設(shè)備供電的潛在候選者。具有固態(tài)聚合物電解質(zhì)的ZIBs不僅可以保持額外的承重性能，而且還可以通過防止枝晶形成和抑制陰極溶解而表現(xiàn)出增強(qiáng)的電化學(xué)性能。通過開發(fā)固體聚合物電解質(zhì)、水凝膠聚合物電解質(zhì)和雜化聚合物電解質(zhì)，人們已經(jīng)對(duì)聚合物電解質(zhì)進(jìn)行了大量的改性。然而，用于ZIBs的聚合物電解質(zhì)的研究仍不成熟。

有鑒于此，倫敦大學(xué)Parkin等人^[4]綜述了近年來基于聚合物電解質(zhì)的柔性ZIBs的研究進(jìn)展，特別是水凝膠電解質(zhì)的合成和表征，詳細(xì)分析了從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的相關(guān)研究。最后，作者討論了柔性ZIBs的應(yīng)用場景，并提出了未來的研究方向和優(yōu)化策略。

圖4 水系鋅離子電池儲(chǔ)能機(jī)制

總結(jié)與展望

可以看到，能夠登上Advanced Materials期刊的封面，必然是極其優(yōu)秀的論文，且其封面繪圖同樣十分“出彩”，這說明了科研繪圖與學(xué)術(shù)研究在一定程度上是相輔相成的。當(dāng)然，作為材料領(lǐng)域無可爭議的頂刊，Advanced Materials封面論文幾乎可以說代表了材料領(lǐng)域近期最新的研究進(jìn)展，相信這也能給廣大的科研工作者們帶來一絲啟發(fā)！

參考文獻(xiàn)

[1] Xavier Aeby, Alexandre Poulin, Gilberto Siqueira, et al. Fully 3D Printed and Disposable Paper Supercapacitors. Adv. Mater. 2021, 33, 2101328. DOI: 10.1002/adma.202101328.

[2] Eva Cortés-del Río, Jose Luis Lado, Vladimir Cherkez, et al. Observation of Yu–Shiba–Rusinov States in Superconducting Graphene. Adv. Mater. 2021, 33, 2008113. DOI: 10.1002/adma.202008113.

[3] Yupu Zhang, Lili Wang, Lianjia Zhao, et al. Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus@MXene Thin-Films. Adv. Mater. 2021, 33, 2007890. DOI: 10.1002/adma.202007890.

[4] Haobo Dong, Jianwei Li, Jian Guo, et al. Insights on Flexible Zinc-Ion Batteries from Lab Research to Commercialization. Adv. Mater. 2021, 33, 2007548. DOI: 10.1002/adma.202007548.