《自然》《科学》一周（4.23-4.30）材料科学前沿要闻

大气中的水大约相当于地球上所有淡水资源中的 10％。但目前尚未开发出来能够从空气中，特别是低湿度水平（低至20％）的空气中捕获和输送水分的有效方法。Kim 等人报导了基于多孔金属-有机框架 801[Zr6O4（OH）4（富马酸）6] 装置（MOF）的设计和演示。他们设计的设备利用一个太阳光照（1千瓦/平方米）的低热量自然光条件，从大气中捕获水。该设备不需要额外的能量输入，在相对湿度低至 20％ 的情况下，每天每公斤 MOF 可以收集 2.8 升水。（Science  DOI: 10.1126/science.aam8743）   

下一代高性能电池应该会比非水系锂基电池更安全。水系锌基电池可以应对这一挑战，因为单片锌海绵阳极可以在镍-锌碱性电池中循环数百到数千次，而不会发生钝化或形成宏观枝晶。Parker 等人证明，三维（3D）锌的形状因素提高了镍-锌碱性电池在三种使用领域中的性能：（i）在原（一次使用）电池中理论放电深度（DODZn） >90％，（ii）以与锂离子相当的比能量和 >40％ 的 DODZn 下超过 100 的次高速循环，（iii）能够起停微型混合动力汽车所需要的数以万计的循环工作次数。（Science  DOI: 10.1126/science.aak9991）

以手性磷为中心的化合物的催化立体选择性合成迄今仍然是未解难题。目前的方法依赖于分辨率或化学计量的手性助剂。磷酰胺酸前体药物是用于治疗病毒性疾病和癌症的核苷酸（ProTide）疗法的关键部分。在这里，DiRocco等发展了催化立体选择性方法，通过动态立体选择性方法将磷立体衍生的亚磷酰胺安装到核苷上。详细的机理研究和计算建模促成了多功能催化剂的合理设计从而使得立体选择性高达 99：1。（Science DOI: 10.1126/science.aam7936）

相互晶格取向决定了晶粒之间的力的类型和大小。当晶格极化率是各向异性时，范德华色散力原则上可以有助于这种方向依赖性。Zhang 等人报导了对金红石纳米晶体之间这个吸引力的测量，是它们相互取向和表面水合程度的函数。在几十纳米的分离处，吸引力很弱，并且不依赖于方位取向或表面水合。在大约一个水合层的分离处，吸引力强依赖于方位对准，并随着水密度的增加而系统地降低。测量的力与 Lifshitz 理论的预测密切相符，并表明色散力可以在溶液中相互作用的颗粒以及材料中的颗粒之间产生扭矩。（Science DOI: 10.1126/science.aah6902）

在二维范德华晶体中实现长程铁磁有序，再结合其丰富的电子和光学性能，有可能促成新的磁、磁电和磁光应用。在二维系统中，根据 Mermin-Wagner 定理，长程磁有序被热波动强烈地抑制着；但这些热波动可以通过磁各向异性来抵消。此前的研究主要基于缺陷和结构工程，或邻近效应，仅在局部或外部引入磁响应。Gong 等人报导了由扫描磁光 Kerr 显微镜所揭示的本征 Cr2Ge2Te6 原子层的内在长程铁磁有序。在这种软磁性的二维范德瓦尔铁磁体中，利用非常小的磁场（小于0.3特斯拉），实现了对前所未有的过渡温度（铁磁性和顺磁性状态）的控制。该结果与三维状态下的转变温度对磁场的不敏感性形成对比。Gong 等人发现小的施加场导致了有效的各向异性，远大于接近零的磁晶各向异性，打开了一个大的旋波激励带隙。Gong 等人使用重归一化自旋波理论来解释观察到的现象并得出结论，转换温度的异常场依赖性是二维软铁磁范德华晶体的标志。Cr2Ge2Te6 是理想的二维海森堡铁磁体，因此将有助于研究基础自旋现象，开辟如超紧凑型自旋电子学的新领域。（Nature DOI: 10.1038/nature22060）   

对于晶体硅太阳能电池，通过钝化接触可以很容易地实现接近理论极限的电压。相反，要想产生最大电流需要在太阳能电池背面集成电子和空穴接触，从而使其正面避免任何阴影损失。最近，结晶硅单结太阳能电池效率的世界纪录是通过将这两种方法融入单一器件中实现的；但制造这类设备的复杂性引起了人们对其商业前景的担忧。Tomasi 等人展示了一种接触方法，大大简化了背面接触的硅太阳能电池的架构和制造。开发了等离子体工艺沉积的硅薄膜表面依赖性生长，来消除掺杂载流子聚集层中单一层的图案化。然后，仅使用了一个对准步骤进行电极定义，便制造了出了一个 9cm2 隧道交叉背面接触太阳能电池，转换效率 >22.5％。（Nature Energy  DOI: 10.1038/nenergy.2017.62）

对金属卤化物钙钛矿薄膜的形态优化是将这些材料用于光收集器时提高太阳能电池性能的重要途径，因为薄膜的均匀性与光伏性能是相关的。以实现高性能器件为目的，目前已经探索了许多器件架构和处理技术，包括单步沉积、顺序沉积和反溶剂法。早期的研究已经探索了反应条件对膜质量的影响，如反应物的浓度和反应温度。但是对反应的确切机制和主导因素的了解却很少。随之而来的缺乏控制是观察到的钙钛矿形态和相关太阳能电池性能变化较大的主要原因。Ummadisingu 等人研究表明，光线对当前使用的主要沉积方法（顺序沉积和反溶剂法）中的钙钛矿形成速率和膜形态有很大的影响。其中使用共聚焦激光扫描显微镜和扫描电子显微镜对金属卤化物（碘化铅）与有机化合物（甲基碘化铵）的反应进行了研究。在乙基碘化铵插入之前，碘化铅结晶，产生甲基胺碘化铅钙钛矿。Ummadisingu 等人发现通过这种顺序沉积形成钙钛矿的过程可以通过光来加速。光对晶体形态的影响反映在太阳能电池效率提升了一倍上。相反，使用反溶剂法从相同的起始材料从单一步骤中形成甲基铵碘化铅钙钛矿，发现当在黑暗中生产膜时获得的光伏性能最佳。光激发结晶的发现不仅鉴别出了以前未知的光电子性质的变异性来源，而且开辟了新的为各种应用需要调整钙钛矿形态和构造的方法。（Nature  DOI: 10.1038/nature22072） 

体积大且是刚性的电力系统和电子设备在需要灵活性和透气性的可穿戴应用中很不实用。为了解决这个问题，迄今已经制作出了一系列的一维能量收集和存储器件，与二维和三维对应器件相比，它们显示出了很好的应用前景。这些一维器件基于柔性纤维，且可以适应通过扭转和拉伸产生的变形。纤维可以编织成各种纺织品，即可以透气且可以整合到适应人体曲面的不同材料中去。Sun 等人对基于光纤的能量采集和存储设备的发展，特别是染料敏化太阳能电池、锂离子电池、超级电容器及其集成器件等进行了综述。重点强调了一维器件中活性材料与电极或电解质之间的界面。与二维和三维器件相比，这些界面的不同特性源于一维电极中的曲面和长电荷传输路径。（Nature Reviews Materials  DOI: 10.1038/natrevmats.2017.23）