1. 將散裝天然木材加工成高性能結(jié)構(gòu)材料

       （Processing bulk natural wood into a high-performance structural material）

       材料名稱：纖維素納米纖維

       團隊名稱：美國馬里蘭大學(xué)Liangbing Hu 和 Teng Li研究組

       具有優(yōu)異機械性能的合成結(jié)構(gòu)材料往往受到重量過大和對環(huán)境影響不利（例如鋼和合金）或復(fù)雜的制造工藝以及由此造成的高成本（例如基于聚合物的材料和仿生復(fù)合材料）的影響。天然木材是一種低成本且來源豐富的材料，被用作建筑和家具建筑的結(jié)構(gòu)材料已有數(shù)千年的歷史。但是，天然木材的機械性能（其強度和韌性）不能滿足許多先進的工程結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。利用蒸汽、加熱、氨水或冷軋預(yù)處理，然后致密化，能夠提高天然木材的機械性能。但是，現(xiàn)有的方法會導(dǎo)致致密化不完全，缺乏尺寸穩(wěn)定性，特別是對于潮濕環(huán)境的反應(yīng)，并且以這些方式處理的木材可能膨脹和變?nèi)?。Song 等人報導(dǎo)了一種簡單而有效的策略，能夠?qū)K狀天然木材直接轉(zhuǎn)化成高性能結(jié)構(gòu)材料，其強度、韌性和防彈性增加十倍以上，且尺寸穩(wěn)定性更高。這種兩步法包含天然木材通過在 NaOH 和 Na2SO3 的含水混合物中的沸騰處理去除木質(zhì)素和半纖維素，隨后進行熱壓，從而使天然木材的細(xì)胞壁完全塌陷和完全致密化，形成高度規(guī)則排列的纖維素納米纖維。這種策略已被證明對于各種木材都是普遍有效的。這種加工木材具有比大多數(shù)結(jié)構(gòu)金屬和合金更高的特定強度，使其成為了一種低成本、高性能、輕量化的替代品。（Nature  DOI: 10.1038/nature25476） 

       2. 一種拓?fù)淞孔庸鈱W(xué)界面

       （A topological quantum optics interface）

       材料名稱：光子晶體

       團隊名稱：美國馬里蘭大學(xué)Waks和Hafezi研究組

       拓?fù)鋵W(xué)在光學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)促成了開發(fā)具有抗干擾特性的光子器件的新模式。雖然拓?fù)洮F(xiàn)象在經(jīng)典領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進展，但是對于在量子領(lǐng)域中實現(xiàn)強光物質(zhì)耦合仍然是一個未探索的課題。Barik 等人展示了單個量子發(fā)射器和拓?fù)涔庾討B(tài)之間的穩(wěn)定界面。該方法是在兩個不同的拓?fù)涔庾泳w的邊界處創(chuàng)建出穩(wěn)健的反向傳播邊緣態(tài)。Barik 等人展示了量子發(fā)射體進入這些模式的手征發(fā)射，并建立起了它們避免尖銳彎折的穩(wěn)健性。這種方法可以促進具有內(nèi)置保護的量子光學(xué)器件的發(fā)展，在量子模擬和傳感中具有潛在應(yīng)用。（Science DOI: 10.1126/science.aaq0327）

       3.電子束敏感的晶體材料的原子級分辨率TEM成像

       (Atomic-resolution transmission electron microscopy of electron beam–sensitive crystalline materials)

       材料名稱：對電子束敏感的晶體材料（如：UiO-66晶體和CH3NH3PbBr3）

       團隊名稱：阿卜杜拉國王科技大學(xué)Daliang Zhang研究組

       電子束敏感材料的高分辨率成像是透射電子顯微鏡（TEM）最困難的應(yīng)用之一。所面臨的挑戰(zhàn)是多方面的，包括極低電子束劑量下的圖像采集，對晶帶軸進行有時間限制的研究，圖像的精確對齊以及過焦值的準(zhǔn)確計算。Zhang 等人開發(fā)了一套方法來滿足這些要求，并獲得了一些被認(rèn)為對電子束高度敏感的金屬有機框架的原子分辨率 TEM 成像。高圖像分辨率使得能夠識別單個金屬原子列、各種類型的表面終止和有機連接器中的苯環(huán)。Zhang 等人還將這一方法應(yīng)用到了包括有機-無機雜化鈣鈦礦 CH3NH3PbBr3 在內(nèi)的其它電子束敏感材料中。（Science DOI: 10.1126/science.aao0865）

       4. 利用模板限制的 DNA 介導(dǎo)組裝單個納米顆粒構(gòu)建的超晶格

       (Building superlattices from individual nanoparticles via template-confined DNA-mediated assembly)

       材料名稱：納米粒子的超晶格

       團隊名稱：美國西北大學(xué)Qing-Yuan Lin、Jarad A. Mason和Zhongyang Li聯(lián)合研究組

       DNA程序化組裝與自上而下的光刻技術(shù)相結(jié)合，可以在大面積的金表面上實現(xiàn)構(gòu)建離散可重構(gòu)的納米粒子的超晶格。具有不同形狀和大小的單個的膠體電漿納米顆粒的組裝是由含有“鎖定的”核酸的寡核苷酸和由聚合物孔隙提供的受限環(huán)境控制的，從而產(chǎn)生定向結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)布局的特征且在納米和微米長度尺度上具有獨立可控的距離。這些難以用其它常用的組裝方法來構(gòu)建的結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)研究和控制納米粒子光學(xué)材料中的光-物質(zhì)相互作用提供了一個平臺。通過識別具有溶劑極性響應(yīng)的寬帶吸收器，可以動態(tài)調(diào)節(jié)對可見光的吸收，從而探索了這種方法的普遍性和潛力。（Science DOI: 10.1126/science.aaq0591）   

       5. 相干單原子超輻射

       (Coherent single-atom superradiance)

       材料名稱：鋇單原子

       團隊名稱：韓國首爾國立大學(xué)Kyungwon An課題組

       超輻射是通過相關(guān)的單原子協(xié)同發(fā)射光子在宏觀系統(tǒng)中顯現(xiàn)出的量子現(xiàn)象。對受控集體原子場相互作用的證明是源于能夠直接印證與某個原子系統(tǒng)的相關(guān)性。Kim 等人報導(dǎo)了腔介導(dǎo)的相干單原子超輻射：即具有預(yù)定相關(guān)性的單個原子一個一個地通過高質(zhì)量因子腔，并與已經(jīng)穿過腔的 N 個原子合作發(fā)射光子。即使在腔內(nèi)原子數(shù)小于 1 的情況下也能觀察到與 N 的平方相關(guān)的增強集體光子發(fā)射。單原子之間的相關(guān)性是通過利用納米孔陣列孔隙的納米精度位置控制和原子的相位對準(zhǔn)狀態(tài)操縱實現(xiàn)的。該結(jié)果為相控原子場相互作用展示了一個平臺。（Science  DOI: 10.1126/science.aar2179）  

       6. 解耦電子和離子存儲以及從界面存儲到人造電極的途徑

       (Decoupling electron and ion storage and the path from interfacial storage to artificial electrodes)

       材料名稱：電池電極材料

       團隊名稱：德國馬普固態(tài)研究所Joachim Maier課題組

       對可充電電池的需求向電極提出了很高的要求。高效存儲不僅意味著要能容納大量的離子和電子，而且要具有相當(dāng)快的速度。通過解耦離子和電子的作用，材料空間可以被大大擴展，使得離子的傳輸和調(diào)節(jié)發(fā)生在復(fù)合材料的一個相中，而電子的傳輸和調(diào)節(jié)在另一相中。Chen 等人討論的這個協(xié)同概念同等適用于正極和負(fù)極，對應(yīng)例子來自于 Li 基電池和 Ag 基電池的文獻。這個概念不僅有可能減輕功率密度和能量密度之間的平衡，而且還可以使納米晶體的體積和界面儲存成為普遍的觀點。此外，他們還預(yù)測了對鈍化層中的非均勻存儲，轉(zhuǎn)移電阻對電荷狀態(tài)的依賴性，或在適當(dāng)?shù)慕佑|處的非均勻氫存儲。（Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-017-0084-x）

       7. 對氧化物界面處二維空穴氣體的直接觀測

       (Direct observation of a two-dimensional hole gas at oxide interfaces)

       材料名稱：二維空穴氣體

       團隊名稱：威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Eom課題組

       在 LaAlO3/SrTiO3 界面上發(fā)現(xiàn)的二維電子氣（2DEG）促成了對傳統(tǒng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中不存在的許多性質(zhì)的觀測，并因此成為了器件應(yīng)用的焦點。2DEG 的對應(yīng)物二維空穴氣（2DHG），預(yù)計將補充 2DEG。然而，雖然 2DEG 已被廣泛觀察到，但 2DHG 被證明是難以捕獲的。Lee 等人展示了外延生長的 SrTiO3/LaAlO3/SrTiO3 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中高度可流動的 2DHG。利用電傳輸測量和在線電子全息成像，Lee 等人提供了 2DHG 的直接證據(jù)，2DHG 與 2DEG 在同一結(jié)構(gòu)的互補異質(zhì)界面上共存。第一性原理計算，相干布拉格棒分析和深度分辨陰極發(fā)光光譜一致支持這一發(fā)現(xiàn)，即消除離子點缺陷是實現(xiàn) 2DHG 的關(guān)鍵。2DEG 和 2DHG 在單一氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的共存為受限電子空穴系統(tǒng)的激發(fā)物理和開發(fā)應(yīng)用提供了平臺。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-017-0002-4）   

       8. 柔性還原氧化石墨烯薄膜的熱電特性和性能高達3000 K

       (Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K)

       材料名稱：還原氧化石墨烯薄膜

       團隊名稱：美國馬里蘭大學(xué)Liangbing Hu課題組

       超高溫?zé)犭姴牧系陌l(fā)展使得燃燒動力循環(huán)的熱電封頂成為了可能，同時也擴大了能夠集中太陽能直接進行熱電發(fā)電的范圍。但是，由于缺乏合適的材料，使得熱電運行溫度被限制在了 1500 K 以下。Li 等人展示了一種基于高溫還原氧化石墨烯納米片的熱電轉(zhuǎn)換材料，可以實現(xiàn)高達 3000 K 的可靠性。在 3300 K 下進行還原處理后，納米片薄膜在 3000 K 高溫和 S2σ = 54.5 μW·cm-1·K-2 高功率因子下顯示出約 4000 S·cm-1 的電導(dǎo)率。Li 等人報導(dǎo)了測量表征出的薄膜熱點特性高達 3000 K。還原的氧化石墨烯薄膜也表現(xiàn)出較高的寬帶輻射吸收，并且可以充當(dāng)輻射接收器和熱電發(fā)生器。可印刷、輕質(zhì)和柔韌的薄膜對于系統(tǒng)的集成和可擴展制造具有很大的吸引力。（Nature Energy  DOI: 10.1038/s41560-018-0086-3）