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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：3238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)域的最新動態(tài)。

封面文章賞析

1、3D打印一次性超級電容器

超級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能設(shè)備。對于電子產(chǎn)品，所謂一次性設(shè)備是指可以隨時(shí)扔進(jìn)垃圾桶、不會釋放有毒氣體，且最終會分解成無毒無害產(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)對超導(dǎo)體上Mn原子的YSR態(tài)的測量，首次提供了對單個(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。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電容器來儲存太陽能電池產(chǎn)生的能量，以驅(qū)動同樣基于MXene/BP制備的壓力傳感器。在此系統(tǒng)中，柔性超級電容器提供了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.