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  钠离子电池因其原材料储量丰富,价格低廉,近些年受到了越来越多研究人员的关注。在诸多钠离子正极材料体系中,层状氧化物因其易合成、综合性能较好等特点,是目前最具应用潜力的体系。然而由于钠离子质量较大,钠离子电池层状氧化物正极材料的能量密度与锂离子电池层状正极材料有一定差距,进一步提升钠离子电池材料的能量密度是研究人员努力的重要方向。近两年钠离子电池中的阴离子氧化还原的报道陆续出现,研究人员曾对钠离子电池正极的构效关系进行了深入研究(Nat.Commun.,5,1501005,2015;Adv.Mater.,27,6928-6933,2015;Adv.EnergyMater.,5,1501005,2015等)。阴离子氧化还原现象首先报道于锂离子电池,即富锂材料,这类材料具有超高的可逆比容量(>300mAh/g),其电荷补偿由可变价过渡金属和晶格中的氧离子共同提供(传统的正极材料仅有过渡金属变价),但是晶格氧参与后材料结构变得不稳定(层状相向尖晶石相转变),容量衰减尤其是电压衰减较为严重。那么钠离子电池层状氧化物正极借助晶格氧离子的氧化还原反应后,其可逆比容量是否可以达到200mAh/g以上?此外,P2结构层状正极材料是否可以避免类似富锂材料的结构变化呢?  近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组博士生容晓晖在研究员胡勇胜、副研究员禹习谦和研究员谷林的指导下,在CellPress旗下的能源期刊Joule上发表最新研究成果“AnionicRedoxReactionInducedHigh-CapacityandLow-StrainCathodewithSuppressedPhase-Transition”。研究者基于前期的阴离子氧化还原的研究基础(Joule,2,125-140,2018),设计了结构和组成为P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2的钠离子电池正极材料,发现组装的半电池在1.5-4.5V之间具有~270mAh/g的超高可逆比容量,能量密度可达700Wh/kg,是目前已知具有最高能量密度的钠离子电池正极材料。后与美国布鲁克海文国家实验室博士胡恩源和教授杨晓青、法国波尔多大学教授ClaudeDelmas等深度合作,通过中子散射、同步辐射技术等先进表征手段细致研究了该材料的电荷补偿机制和结构演化过程,并发现了阴离子氧化还原机制不但可以提供额外的容量,还具有稳定钠离子电池层状结构、减小体积应变的作用,这是该材料具有超高比容量的内在原因。  研究发现P2结构具有较大的层间距(相对O3相),能够容忍O-O键长变化带来的晶格畸变;同时较大的层间距能有效抑制充电过程中阳离子向碱金属层迁移(富锂材料中发生的层状向尖晶石结构相变),保持稳定的层状结构,从而使得氧离子的氧化还原反应可逆。除此之外,由于首周充电电荷补偿全部由氧提供,这就减小了相邻氧层的静电排斥作用,进而抵消由于钠离子脱出而减弱的静电屏蔽效应,从而在充电末仍然稳定了P2型层状结构,且减小了体积应变。  该研究的亮点在于:  ①首次报道了具有270mAh/g可逆比容量(700Wh/kg)的钠离子电池正极材料,该材料在首周充电时容量完全由晶格氧提供;  ②研究发现阴离子氧化还原反应可以抑制P2-O2相变;  ③研究发现阴离子氧化还原反应可以减小材料的体积应变。  该研究证明阴离子氧化还原反应在钠离子电池中的现象与锂离子电池中有着较大差别,如何通过某些方式在钠离子电池中完全稳定住阴离子氧化还原反应,是下一重点研究目标,如能达成,将会给钠离子电池的发展带来新的契机。  该研究工作得到国家重点研发计划(2016YFB0901500)、国家自然科学基金(51725206,51421002和51822211)、北京市科委(Z181100004718008)和中科院物理所长三角研究中心的支持。  文章信息:Rong,X.;Hu,E.;Lu,Y.;Meng,F.;Zhao,C.;Wang,X.;Zhang,Q.;Yu,X.;Gu,L.;Hu,Y.-S.;Li,H.;Huang,X.;Yang,X.;Delmas,C.;Chen,L.,AnionicRedoxReactionInducedHigh-CapacityandLow-StrainCathodewithSuppressedPhase-Transition,Joule2018,DOI:10.1016/j.joule.2018.10.022.图1.常见的钠离子电池正极材料的电压、比容量和比能量的关系。图2.P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2的电化学性能(a)0.05C,1.5-4.5V首周充放电和第二周充电曲线;(b)0.05C,1.5-4.5V和2.0-4.5V循环曲线。图3.P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2的电荷补偿机制(a)第一周充放电Mn元素K边的演变;(b)第二周充电Mn元素K边的演变;(c)P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2的电荷补偿机制示意图。图4.中子对分布函数(neutronpairdistributionfunction,nPDF)研究P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2在充放电过程中的结构变化(a-d)不同SOC的nPDF结果拟合;(e)不同SOC的nPDF结果以及理论结果对比;(f)根据nPDF拟合结果的不同SOC的O-O键长的变化;(g)P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2的结构演变示意图。

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  美国研究人员使用机械超材料(具有自然界中不存在的独特机械性能)开发出一种新型材料,可响应磁场从柔性变为刚性,在智能可穿戴设备和柔性机器人中具有广泛应用前景。  当前的机械超材料有着吸引人的特性,如负热膨胀,低重量时的高强度和高刚度。但一旦构建完成,其属性将无法更改或调整。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学圣地亚哥分校共同开展的新项目,旨在利用磁场创造一种具有动态可调机械特性的机械超材料,同时又不会引起显著的形状变化。  他们采用了所谓的4D打印技术,其得名于3D打印物体可随时间改变形状,时间是第四维度。通常,这种类型的结构会对刺激(热、水化作用或磁场)作出响应而改变形状。  研究人员开发的场响应超材料(FRMM)可根据磁场的变化改变其性质。然而,与典型的4D打印材料不同的是,其不会改变整体形状,而是改变刚度。  其制造过程是,首先通过3D打印制作机械超材料,该材料由空心梁而非典型的实心梁构成。打印出中空管状超材料后,将磁流变流体注入梁芯,完成场响应超材料的制造。磁流变流体由磁性颗粒构成,悬浮在非磁性介质中。当流体存在磁场时,磁性粒子沿磁场线排列成链,增加了流体的刚度,从而同时增加了整体结构的刚度。当磁场被移除时,流体表现为液体,能够自由流动。  研究人员表示,这种磁机械效应不仅仅是一个开关响应,结构的刚度还可通过施加的磁场强度进行调整。通过仔细选择管状结构,场响应超材料的机械性能可在不到一秒的时间内显示出高达318%的拉伸刚度。  研究人员认为,场响应超材料可用作柔性机器人中的可变刚度接头,并可集成到智能可穿戴设备中,这些可穿戴设备在没有磁场的情况下是灵活的,但在检测到威胁时可改变属性以吸收冲击或振动。

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      丛粒藻(botryococcusbrauniiK?tzig,1849,又译布朗丛粒藻),是一种单细胞群体生长的绿藻,在温带至热带大陆性气候区的淡水和微咸水湖泊等水域广为分布;藻细胞呈梨形包在基质中,藻群体由几十到几百个细胞组成,呈串状集落生长,构成整体形如成串的葡萄(国内又称葡萄藻);藻细胞含烃量高,镜下观察时挤压盖玻片就可见被挤出的油滴,因此又称为“油藻”。丛粒藻与沟鞭藻、盘星藻等一样,是构成石油生烃母质的主要生物母源,许多优质烃源岩的沉积有机质几乎全部由丛粒藻组成。丛粒藻是少数几个生物中能直接贡献生油母质和烃类的微藻之一。      丛粒藻属于原始的绿藻类,起源可追溯至前寒武纪,古生代和中、新生代是其繁盛期。但是,丛粒藻化石在烃源岩中的鉴定具有很大的局限性,一是藻细胞本身不易保存;二是富油脂的丛粒藻化石在富有机质油页岩的早期埋藏和泥炭化过程中很容易遭受有机酸的侵蚀,在后期成岩作用过程中微藻化石也很容易被进一步破坏。一般文献中都是利用高分辨的扫描电镜观察获得的。近期,中国科学院广州地球化学研究所卢鸿、刘德汉研究员和兰州地质所吉利明研究员,对茂名盆地油页岩样品中的丛粒藻化石开展了分离和鉴定,发现利用白色荧光即可直接在荧光显微镜下观察获得详细的结构,因为常用的蓝色荧光激发后具有很强的黄色光晕,掩盖了微藻化石的结构(图1);而白色荧光光晕较弱,可以清晰地显示其单体呈多角形及圆形的杯状结构,以及相对较厚的杯壁等结构(图2)。      值得指出的是,丛粒藻有四个化学种,在镜下形貌相似,只有大小的分别。在样品中通过典型生物标志物鉴定出了B种和L种,根据其丰度高低,结合镜下观察发现:B种葡萄藻群体普遍较大,最大可超过100*180μm,形态呈蝶形或不规则。透光镜下可见明显的被膜所覆盖,被膜覆盖部分荧光相对较弱(图1),但是荧光强烈,杯口一般较大,呈多角形及圆形(图2);而L种葡萄藻群体比B种小,大小20~40μm,多数在30μm左右,形态呈三角形、三瓣形、多瓣形及梅花形等。透光镜下亮度较暗,荧光反射强烈,但是杯口较小,杯壁相对较厚,多呈圆形,压扁后可呈三角形(图2)。      上述成果得到了国家重点研发项目(No.2017YFC0603102),中国科学院战略重点研究项目(No.XDA14010102),135页岩气项目(No.135TP201602)和国家自然科学基金面上项目(No.41673066,41473045,41673045和41773032)的资助,相关成果发表在国际主流刊物《OrganicGeochemistry》上。      论文信息:      [1]HongLu,YujiaoZhang,QiaoFeng,LimingJi,MingzhenZhang,Ping’anPeng,GuoyingSheng,DehanLiu.Geochemicalandpetrographicevidencefortheco-occurrenceofracesBandLofBotryococcusbrauniiintheMaomingoilshales,China[J].OrganicGeochemistry,2018,125:14–23.图1透射光和黄色荧光下的葡萄藻群体图2白色荧光下的葡萄藻群体(有机地球化学国家重点实验室&所综合办公室供稿)

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  中国科学院金属研究所陈春林研究员与日本东京大学YuichiIkuhara教授、重庆大学尹德强副教授等人合作,在陶瓷材料中发现了区别于晶体、准晶体和非晶体的固态物质新结构——一维有序结构。相关成果于12月10日在《自然·材料》上在线发表。  一维有序晶体的发现表明,固态物质结构的种类比人们的已有认知更加丰富,并且新结构的物理性质与相应常见结构类型具有显著差异。固态物质按其微观结构的对称性可分为三大类:晶体、准晶体和非晶体。晶体具有旋转对称性和平移对称性,其原子有规则地在三维空间呈周期性重复排列,比如日常生活中常见的雪花、钻石、水晶等。非晶体不具有旋转对称性和平移对称性,其原子排列不具有长程有序如玻璃、石蜡等。准晶体具有旋转对称性,但不具有平移对称性。准晶体的原子排列具有长程有序,但不具有三维平移周期性。  准晶体结构的物质在日常生活中不常见,科学家最早在合金的相中发现了准晶体。陈春林等人利用扫描透射电子显微术与第一性原理理论计算相结合的方法,在氧化镁(MgO)和三氧化二钕(Nd2O3)薄膜材料中发现了一维有序晶体,这更新了人们对固态物质结构的认识。陈春林介绍,该结构仅在一个方向上保留了晶体的平移对称性和周期性,在其他方向上其原子呈现无序排列,形成了具有一维平移周期性的长程有序结构。  据介绍,构成一维有序晶体的结构单元的原子排列与重位点阵倾转晶界的结构单元非常类似。研究表明,尽管氧化镁晶体是能隙为7.4电子伏特的绝缘体,氧化镁一维有序晶体则是能隙为3.2电子伏特的宽带半导体。一维有序晶体的发现表明固态物质结构的种类比人们的已有认知更加丰富,并且新结构的物理性质与相应常见结构类型具有显著差异。  (原载于《科技日报》2018-12-1301版)

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  据美国《物理评论快报》网站近日报道,上海交通大学金贤敏团队研制出了全球首个轨道角动量(OAM)波导光子芯片。这是首次在光芯片内制备出可携带光子OAM自由度的光波导,并实现光子OAM在波导内高效和高保真地传输。最新研究作为亮点文章在网站首页被重点推荐,有望在光通信和量子计算等领域“大显身手”。  近年来,由于扭曲光(twistedlight)具有“甜甜圈”分布的强度结构、螺旋型波阵面的位相结构、携带OAM的动态特性,被广泛用于光操纵、光钳等领域。不同于光的自旋角动量,OAM拥有无限的拓扑荷和内在正交性,可用于解决通信系统信道容量紧缩的问题。而在量子信息等领域,光子OAM可用于分发高维量子态以及构建高维量子计算机。  但大规模应用OAM需要将其传输、产生及操纵一体化,而此前的研究均无法让OAM存在于芯片内部。  在最新研究中,金贤敏团队通过飞秒激光直写技术,制备了首个波导横截面为“甜甜圈”型的三维集成OAM波导光子芯片。通过测量从芯片出来的扭曲光与参考光的干涉,以及对芯片前后的态进行投影测量,实验证实,此波导可高效高保真地传输低阶OAM模式,传输总效率达60%;且该波导会将高阶模式转化为低阶模式。此外,该波导也可高保真地传输三比特的“高维量子比特(qutrit)”态,超越传统两比特的“量子比特(qubit)”态,表明此波导有潜力用于高维量子态的传输与操控。  金贤敏希望该芯片首先能用于高通量光通信领域;而英国圣安德鲁斯大学光操控专家基山·多拉基亚认为,新芯片有望为量子光学和成像等领域开辟新天地。据悉,该团队已为该波导芯片向国家知识产权局申请了发明专利。  

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  在二维层状材料中实现磁性是研究人员的重要目标,因为二维磁性材料既是构造自旋电子学器件的基础,又是研究新奇物理现象的平台。通常,人们通过掺杂磁性原子或利用界面近邻效应在非磁性材料中引入磁性,但是这些非本征的磁性易受到载流子浓度、杂质类型、界面原子结构等因素的影响。因此,人们希望实现具有本征磁性的二维层状材料。先前人们根据Mermin–Wagner定理,各向同性的单原子层二维材料由于长程热涨落并不能表现出宏观磁性,本征二维磁性材料被认为不能存在。最近的实验工作发现,范德瓦尔斯结合的层状材料CrI3和Cr2Ge2Te6具有低维长程磁序[Nature546,270(2017),Nature546,265(2017)],这些工作开创了本征二维磁性材料研究的新时代。目前已知的二维本征磁性材料很少,其较低的居里温度(<50K)很难满足电子学器件的实用要求。比如量子反常霍尔效应只在极低温下的复杂磁性体系中实现,将这类拓扑态应用到实际体系的途径之一就是寻找新型二维磁性材料。而且,新材料体系的发现将可能揭示出新的拓扑电子态。  近年来,基于第一性原理的高通量筛选方法逐渐成为发现新材料的途径,为寻找本征二维磁性材料及研究新奇电子性质提供了新手段。最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组博士研究生刘行在孙家涛副研究员和孟胜研究员的指导下,搭建了高通量筛选二维磁性材料的第一性原理计算流程及相关数据库,从材料数据库中发现了数十种新型层状磁性材料。一些具有高居里温度的铁磁材料还呈现出新颖拓扑电子态。  他们把基于MaterialsProject数据库得到的627种二维材料作为筛选起点,首先对其磁性进行了研究,发现33种反铁磁二维材料和56种铁磁二维材料(图1)。重要的是,24种铁磁材料的居里温度均高于实验证实的铁磁体CrI3(图2)。对这些材料的拓扑性质进行计算后发现:(1)单层VCl3和RuCl3呈现出本征的量子反常霍尔态,同时具有时间反演对称性破缺导致的K和K’能谷极化,此共存态被称为“谷极化的量子反常霍尔态”(图3);(2)单层ScCl具有一种新型费米子,被称为“第二类外尔节点环费米子”(图4)。这既为实现高温低维磁体及构造自旋电子学器件奠定了材料基础,也为研究新拓扑物态提供了平台。本项研究作者还包括刘淼副研究员,主要结果于2018年11月7日发表在JournalofPhysicalChemistryLetters上[H.Liuetal,J.Phys.Chem.Lett.9,6709(2018)]。  该研究工作得到科技部(项目批准号2016YFA0202300,2016YFA0300902,2015CB921001,和2013CBA01600)、国家自然科学基金委(项目批准号11774396和61306114)和中国科学院(项目批准号XDB30000000和XDB07030100)的资助。  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b02783图1.高通量筛选磁性二维材料流程。图2.89种磁性单层材料及其居里温度。图3.铁磁性的单层RuCl3具有本征的谷极化量子反常霍尔态。图4.铁磁性的单层ScCl中存在第二类外尔节点环费米子。

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