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2021年Advanced Materials最新封面文章賞析

來源：測試GO 時間：2021-08-10 15:33:06 瀏覽：2866次

期刊簡介

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

在Google公司對八大領域（商業經濟與管理、材料與化學、工程與計算科學、健康與醫藥科學、人類文學與藝術、生命與地球科學、物理與數學、社會學）所有期刊的排名中，Advanced Materials在工程與計算科學大學科領域所有雜志中排名第一。

作為材料領域頂級學術期刊之一，Advanced Materials的文章質量毋庸置疑，因此，該期刊上發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域的近期的學術熱點。為此，筆者特意選取了Advanced Materials期刊2021年最新幾期的封面文章，進行介紹解讀，希望與讀者分享材料領域的最新動態。

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）因其長循環壽命、高功率密度、高電容和快速充電特性而受到廣泛關注。實驗證明，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備。對于電子產品，所謂一次性設備是指可以隨時扔進垃圾桶、不會釋放有毒氣體，且最終會分解成無毒無害產物的設備。盡管如此，開發一次性EDLC依然受到原材料和制備方法的限制。

有鑒于此，瑞士聯邦材料科學與技術研究所的Gustav等人^[1]通過3D打印設計了一種一次性超級電容器，它由功能油墨開發，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，具有優異的性能，在1 mV s^-1時的比電容為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工作，工作電壓高達1.2 V，并能抵抗較大的機械應力。在達到使用壽命后，3D打印的EDLC可以在幾周內迅速無毒地分解。該工作為智能電子設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、超導石墨烯中YSR態的觀察

由于零自旋電子對的相干多體態的形成，在許多材料中都觀察到了超導（SC）現象。促進磁性的相互作用往往會破壞大多數材料中的超導現象。當磁性雜質擾動時，超導序在局部被耗盡，從而導致間隙內束縛態的出現，這稱為Yu-Shiba-Rusinov (YSR)態。通過掃描隧道顯微鏡和光譜學對超導體上Mn原子的YSR態的測量，首次提供了對單個原子磁性的直接觀測，因為安德森定理排除了在時間反轉對稱保持的情況下，間隙內YSR態的存在。

目前，人們已經在各種系統中觀察到在間隙內的YSR態，這些系統以分子、自組裝、人工原子鏈和磁島等形式將超導體與磁矩結合起來。同時，由于石墨烯既缺乏超導性，又缺乏磁性，因此純石墨烯并非尋找YSR態的最佳系統。然而，石墨烯可以通過鄰近效應誘導超導性，并在石墨烯晶界（GBs）中產生磁性。當單個氫原子的化學吸附引起局部磁矩時，YSR態被預測出現在具有超導鄰近間隙的石墨烯中，這導致了磁矩的出現。

有鑒于此，西班牙馬德里自治大學的Brihuega等人^[2]利用Pb島在石墨烯中誘導超導性，利用GB作為局部磁矩的來源，首次實現石墨烯中的YSR態。該研究結果為探索石墨烯中包含磁性和超導性的奇異電子相提供了起點，有望導致GBs拓撲超導性的出現。

圖2 GB磁性在超導石墨烯中誘發YSR態

3、基于三維有序Mxene/黑磷復合薄膜的柔性自供電集成傳感系統

具有長續航時間、高操作安全性和機械靈活性的可穿戴柔性傳感器在下一代生物醫學設備中應用前景巨大。其中，可以同時為設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。為了確保整個自供電系統在無陽光等環境中持續運行，完全集成的自供電設備由能量收集、轉換設備、能量存儲單元和功能設備組成。然而，大多數集成化自供電設備通常使用多種不同材料來實現其多功能化。因此，如何優化材料的合成工藝，降低器件集成的復雜性和成本，設計具有多重特性的功能材料成為相關領域的研究熱點。

基于此，中國科學院半導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，用于連續檢測人類生理信號。作者通過自組裝工藝得到層狀結構的MXene/BP，并通過激光雕刻技術將其制備成微型超級電容器來儲存太陽能電池產生的能量，以驅動同樣基于MXene/BP制備的壓力傳感器。在此系統中，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/恢復時間(10.9/12.9 ms)。因此，該自供電智能傳感器系統可用于實時監測人體脈搏，并可用作可穿戴腕帶。這種先進材料和設備的集成方法為下一代自供電產品的生產設計提供了思路。

圖3 基于MXene/ BP的自供電智能傳感器系統示意圖

4、柔性鋅離子電池：從實驗室到商業化應用

隨著科學技術的發展，人們對醫療、汽車和航空等各個領域中捕獲實時數據的需求也在不斷增長。其中，柔性可穿戴電子產品逐漸引起了人們的興趣，如可植入醫療設備、可穿戴健康監控系統、柔性顯示器和智能衣服等。與此同時，由于水系可充電鋅離子電池（ZIBs）的發展，柔性ZIBs被視為為可穿戴電子設備供電的潛在候選者。具有固態聚合物電解質的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出增強的電化學性能。通過開發固體聚合物電解質、水凝膠聚合物電解質和雜化聚合物電解質，人們已經對聚合物電解質進行了大量的改性。然而，用于ZIBs的聚合物電解質的研究仍不成熟。

有鑒于此，倫敦大學Parkin等人^[4]綜述了近年來基于聚合物電解質的柔性ZIBs的研究進展，特別是水凝膠電解質的合成和表征，詳細分析了從實驗室到商業化的相關研究。最后，作者討論了柔性ZIBs的應用場景，并提出了未來的研究方向和優化策略。

圖4 水系鋅離子電池儲能機制

總結與展望

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

參考文獻

[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.