在前面我们梳理了近年来频繁在NS上出现的钙钛矿和石墨烯，今天我们整理金属类的NS.
1.science：梯度纳米孪晶金属强度和硬度的同步增强
来自美国布朗大学的高华健和中科院沈阳金属所的卢磊研究员（共同通讯）联合在Science上发文，题为“Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals”。作者研究了纯铜中具有高度可调结构梯度的梯度纳米孪晶结构的机械性能。较大的结构梯度允许优异的硬度和强度，机械性能优于梯度结构中的任一组分。作者通过系统实验和原子模拟发现，这种不寻常的行为是由晶粒内部超高密度位错的独特图案提供的。这些观察结果不仅揭示了梯度结构，也可能为通过梯度设计改善材料的机械性能指明了一条有希望的途径。
文献链接：Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals, (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aau1925)
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2.science：单链限制一维过渡金属三硫族化物NbSe3的合成
在美国加州大学伯克利分校 、劳伦斯伯克利国家实验室Alex Zettl教授（通讯作者）的带领下，与分子铸造和人工光合作用联合中心合作，报道了在一个链限制内的一维过渡金属三硫族化物NbSe3的合成，包括实现分离的单链，链被包封在保护性氮化硼纳米管（BNNT）或碳纳米管（CNT）外壳中。空间限制促进并稳定亚晶胞NbSe3的生长，直至三重，双重甚至单原子链。封装还可以保护链条免受环境氧化，并且易于处理和表征。链条在管内可移动。即使在单链限制下，也观察到具有规则周期性的不寻常的螺旋扭转波。电子结构理论计算表明NbSe3的电子能带结构高度依赖于链数和方向，扭转波的不稳定性是由链的充电驱动的。在链和纳米管鞘之间发现非常少的共价键合，导致包封链的相对不受阻碍的纵向和扭转动力学。相关成果以题为“Torsional instability in the single-chain limit of a transition metal trichalcogenide”发表在了Science上。
文献链接：Torsional instability in the single-chain limit of a transition metal trichalcogenide（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat4749）
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3.nature：范德瓦尔斯金属半导体结的创建
北京时间2018年5月17日，Nature在线发表了加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授、黄昱教授（共同通讯作者）团队题为“Approaching the Schottky–Mott limit in van der Waals metal–semiconductor junctions”的文章，研究报道了范德瓦尔斯金属半导体结的创建，金属薄膜被层压到二维半导体上而没有直接的化学键合，形成基本上不受化学无序和固定费米能级约束的界面。肖特基势垒高度接近肖特基-莫特极限，由金属的功函数决定，因此高度可调。通过转移具有与MoS2价带边缘匹配的功函数的金属膜（Ag或Pt），获得了在室温下具有两端电子迁移率260cm2/V·S和空穴流动性175cm2/V·S的晶体管。此外，通过使用具有不同功函数的不对称接触对，研究展示了开路电压为1.02V的Ag-MoS2-Pt光电二极管。不仅在实验上验证了理想金属半导体连接点的基本极限，而且还定义了可用于高性能电子和光电子的金属集成的高效无损的策略。
文献链接：Approaching the Schottky–Mott limit in van der Waals metal–semiconductor junctions（Nature,2018,DOI: 10.1038/s41586-018-0129-8）
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4.Science：低温下由塑性变形产生的纯铜中的纳米级晶粒显示出显著的热稳定性
中科院沈阳金属研究所卢柯研究员和李秀艳研究员团队（共同通讯作者）在science发表了题为“Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size”的文章。研究团队使用纯度为99.97％，表面为粗晶的不含氧的Cu棒，在液氮温度下使用表面机械研磨处理（SMGT）以产生梯度纳米表面层。形成平均尺寸为〜40±2 nm和长径比为1.7的随机取向晶粒。TEM测量发现横向晶粒尺寸随着深度增加而逐渐增加，横截面晶粒平均尺寸为70 nm左右；150 μm处，横截面晶粒平均尺寸为200nm左右。观察到变形的晶粒结构粘附在150-500μm深度跨度的无变形核心上。在纯Cu或Ni中，GB向低能态的自发结构演变，导致纳米晶粒显着的热稳定性，其表观不稳定温度甚至高于粗晶粒。研究表明：低温下由塑性变形产生的纯铜或镍中的纳米级晶粒在临界晶粒尺寸以下显示出显著的热稳定性。因为塑性变形中部分位错的活化使纳米晶粒之间形成低角度晶界，导致纳米晶晶界自动从高能态演变到低能态，从而增强热稳定性。
文献链接：Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size（Science，DOI: 10.1126/science.aar6941）
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5.nature：熔融盐辅助的化学气相沉积法
来自新加坡南洋理工大学的刘政教授，日本国家高等工业科学技术研究所的林君浩博士以及北京中科院物理所的刘广同教授联合团队（共同通讯）在Nature上发表文章，题为：“A library of atomically thin metal chalcogenides”。研究人员证明熔融盐辅助化学气相沉积可广泛应用于合成各种原子级厚度的二维TMDCs材料，通过熔融盐辅助的化学气相沉积法合成了47种二维TMDCs材料，其中包括32种二元化合物(基于过渡金属Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Pt、Pd和Fe )，13种合金 (包括三元、一元和一元)，以及两种异质结构化合物。阐述了盐是如何降低反应物的熔点，促进中间产物的形成，提高总反应速率。单层NbSe2和MoTe2样品中的超导性以及在MoS2和ReS2中的高迁移率的证据证明，该团队采用此方法合成的大多数材料都是可用的。虽然一些材料的质量仍然需要发展，但该团队的工作为研究各种二维TMCs的性能和潜在应用开辟了新道路。
文献链接：A library of atomically thin metal chalcogenides，（Nature，2018，DOI: 10.1038/s41586-018-0008-3）
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6.nature：铁磁kagome金属中发现有质量的狄拉克费米子
北京时间2018年3月20日，Nature在线发表麻省理工学院Joseph G. Checkelsky、Riccardo Comin（共同通讯）等人题为“Massive Dirac fermions in a ferromagnetic kagome metal”的文章，该团队研究了d电子kagome金属Fe3Sn2，其设计用于在存在铁磁有序的条件下证明了有质量的狄拉克费米子。实验观察到一个与温度无关的固有异常霍尔电导率，该电导率持续高于室温，这表明kagome平面的时间反转对称性破裂电子带显著突出Berry曲率。利用角分辨光电子能谱，观察到费米能级附近的一对准二维狄拉克锥，质量间隙为30毫电子伏，这对应于产生贝里曲率诱导霍尔电导率的大量狄拉克费米子。表明这种行为是铁磁状态下双层kagome晶格的基本对称性和原子自旋轨道耦合的结果。这项工作提供了一个铁磁kagome金属的证据和相关电子系统中出现的拓扑电子性质的例子。
文献链接：Massive Dirac fermions in a ferromagnetic kagome metal（Nature,2018,DOI:10.1038/nature25987）
7.Nature:高熵合金纳米颗粒（HEA-NP）
北京时间2018年3月30日，Science在线发表马里兰大学胡良兵、伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、约翰霍普金斯大学Chao Wang、麻省理工大学Ju Li（共同通讯）等人题为“Carbothermal shock synthesis ofhigh-entropy-alloy nanoparticles”的封面文章。该研究通过热冲击负载在碳载体上的前体金属盐混合物[温度〜2000K，55毫秒的持续时间，〜105K每秒的速率]。提出了通过将八种不同元素合金化成单相固溶体纳米颗粒（通常称为高熵合金纳米颗粒（HEA-NP）。通过控制碳热激发（CTS）参数（底物，温度，冲击持续时间和加热/冷却速率）来合成具有期望的化学（组成），尺寸和相（固溶体，相分离）的宽范围的多组分纳米颗粒。为了证明实用性，实验人员合成了五元HEA-NPs作为氨氧化催化剂，其具有〜100％转化率和> 99％的氮氧化物选择性。本文第一作者是姚永刚，同期印第安纳大学布卢明顿分校Sara E. Skrabalak做了题为“Mashing up metals with carbothermal shock”的perspective，Science也作为this week in science重点报道。
文献链接：Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles（Science,2018,DOI:10.1126/science.aan5412）
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8.nature：与疲劳历史无关的纳米孪晶金属循环响应
2017年10月30日，Nature在线发表了中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢磊研究员研究组和美国布朗大学高华健教授（共同通讯）等人题为“History-independent cyclic response of nanotwinned metals”的文章，通过在低于金属拉伸强度的应力幅值下的原子模拟和拉-压变幅应变控制疲劳实验，报道了含有高度取向的纳米孪晶块体纯铜样品中与疲劳历史无关的稳定循环响应。实验证明这种不寻常的循环行为是由相邻的“项链”位错引起的，这种错位由孪晶中多个短的位错构成，如项链的连接。这种位错在循环载荷作用下在高度取向的纳米孪晶结构中形成，并且有助于保持双边界的稳定性和可逆损伤，条件是纳米孪晶在加载轴线的约15度内倾斜。这种循环变形机制与单晶，粗粒，超细晶粒和纳米金属晶粒中不可逆显微结构损伤相关的常规变形机制是截然不同的。
文献链接：History-independent cyclic response of nanotwinned metals（Nature,2017,DOI:10.1038/nature24266 ）
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9.science：基于液态金属的反应路线获得的2D材料
北京时间2017年10月20日，Science在线发表了皇家墨尔本理工大学Kourosh Kalantar-zadeh、Torben Daeneke（共同通讯）团队题为“A liquid metal reaction environment for the room-temperature synthesis of atomically thin metal oxides”的文章。文章指出虽然二维（2D）氧化物在电子和其他技术中具有广泛的应用，但是许多氧化物通过常规方法不容易合成2D材料。该团队使用无毒的共晶镓基合金作为反应溶剂，并将合金化的所需金属加入到熔体中。在热力学角度上，预测了自限界面氧化物的组成。同时，无论是在基底上还是在悬浮液中都将表面氧化物作为2D层分离，实验发现其能够产生出非常薄的亚纳米级的HfO2，Al2O3和Gd2O3。基于液态金属的反应路线可以用于产生以前不能用常规方法获得的2D材料，将室温液态金属作为低维度氧化物纳米材料合成的反应环境为获取2D材料的方法又添一利器。
文献链接：A liquid metal reaction environment for the room-temperature synthesis of atomically thin metal oxides（Science,2017,DOI:10.1126/science.aao4249）
文章详情：Science:液态金属:虽没成为“终结者”，但我开拓了纳米材料合成新方法呀！
10.Nature: 分子动力学模拟探测金属塑性极限
北京时间2017年9月28日，Nature在线发表了美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Vasily V. Bulatov（通讯作者）等人题为“Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations”的文章，该团队在体心立方金属钽中展示了单晶可塑性的全动态原子模拟。其目标是量化达到脱位介导的塑性极限条件，并阐释金属超过这种限制会发生什么。在恒定压力，温度和应变速率的条件下，金属在其[001]晶轴的超高应变速率下被压缩。为了解决研究中长度尺度（85-340nm）和时间尺度（1ns-1μs）晶体可塑性过程的复杂性，本研究使用了最近开发的原位计算显微镜的方法将模拟中生成的大量瞬态轨迹数据重写为可以由人为分析的形式。通过模拟可以预测：在达到应变的某些限制条件时，单独的位错不再能够缓解机械载荷;相反另一种变形机制——通常称为变形孪晶，成为代替其动态响应的主要模式。在这个极限以下，只要其后的应变状态保持不变，金属呈现塑性流动与应变路径无关的稳定状态，其中流动应力和位错密度保持恒定。在这种状态下，钽流动如粘稠流体同时保持其晶格的强度。
文献链接：Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations（Nature,2017,DOI:10.1038/nature23472）
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11.science：金属锂基态真实结构为基态为面心立方（FCC）
美国犹他大学Shanti Deemyad课题组在Science上发表了题为“Quantum and isotope effects in lithium metal” 的文章。研究人员通过使用同步辐射X射线衍射及密度泛函理论与分子动力学相结合的多尺度模拟，证明了过去广泛认可的马氏体基态为亚稳态，真实的基态为面心立方（FCC）。在相似的热路径下，锂的同位素在马氏体转变温度下表现出相当大的差异。作为结构由量子效应主导的氦和质量较高元素之间的金属中间体，锂展现出了核量子力学效应。
文献链接： Quantum and isotope effects in lithium metal（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4886）
文章详情：重磅！Science: 科学家首次揭示金属锂基态真实结构 澄清70年错误认识！
12.Science：利用嵌段共聚物模拟金属相变过程
美国明尼苏达大学的Frank S. Bateshe和Kevin D. Dorfman（共同通讯作者）等在Science上发表了题为“Thermal processing of diblock copolymer melts mimics metallurgy”的文章，他们通过利用低分子量的聚丙交酯（PLA）和较大烷基链嵌段二嵌段聚合物的小角度X射线散射（SAXS）实验揭示了低于无序转变温度时Frank-Kasper（FK）相和准晶相的形成。BCC晶格可通过一个晶格取一个点来进行表征，而FK相包含具有2个或多个结晶位点的大单位晶胞，可以形成多个粒度和形状，因此可以通过其来模拟金属合金的温度响应形成过程。从无序状态到有序状态和有序阶段的转变需要传质，因此通过不同的热处理方式可以实现长时间亚稳存在状态。通过这一方式可以很好的再现冶金工业中常用技术生产过程。
文献链接:Thermal processing of diblock copolymer melts mimics metallurgy（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam7212）
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13.Nature：最低晶格错配与高密度纳米析出相联手打造超强钢
北京科技大学吕昭平教授课题组通过创新超高强度钢的合金设计理念，发展了超强韧的高密度有序Ni(Al,Fe)纳米颗粒强化高性能新型马氏体时效钢，其中抗拉强度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8% 。新型超高强韧钢的强化主要是基于最低错配度下获得最大程度弥散析出和高剪切应力的创新思想，即一方面通过“点阵错配度最小化”，显著降低金属间化合物颗粒析出的形核势垒，促进颗粒均匀弥散分布，并显著提高强化颗粒的体积密度和热稳定性，低错配度共格界面结合小尺度有效缓解增强颗粒周边微观弹性畸变，改善材料宏观均匀塑性变形能力；另一方面，引入“有序效应”作为主要强化机制，有效阻碍位错对增强相颗粒的切过作用，从而获得优异综合性能的新型马氏体时效钢。除此之外，新型超强韧马氏体时效钢通过采用Al元素代替传统马氏体时效钢中昂贵的合金元素，可添加传统马氏体时效钢所避免的C元素，初步实现了高端钢铁材料的制备工艺简化和低成本的目标，不但有力地推动该类材料的实际工程应用，同时为新型超高强度材料的发展打开了新的研究思路。该最新研究成果发表在2017年4月10日Nature上，题目“Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation”。
14.Nature:双相纳米结构铸就史上最强镁合金
北京时间2017年4月6日，法国国家科技科学院院士、香港城市大学副校长吕坚(通讯作者)研究团队于Nature上在线发表一篇题为“Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys”的文章。该科研团队研制了双相纳米晶结构的镁合金材料，通过磁控溅射法将直径约6 nm的MgCu2晶粒均匀地嵌入约2 nm厚的富含镁的无定形壳中，生产获得具有非晶/纳米晶双相结构的镁基超纳尺寸双相玻璃晶（SNDP-GC）。该双相材料结合并加强了纳米晶材料与非晶纳米材料的优势，在室温下表现出接近理想强度，并且解决了样品尺寸效应问题。研究团队所制成的镁合金体系是由埋在无定型玻璃壳中的纳米晶核组成，所得双相材料的强度是近乎理想的3.3 GPa，这也是迄今为止强度最大的镁合金薄膜。同时，研究者提出了一种由本构模型组成的强度增强机制，在材料制备过程中形成了一个由直径约6 nm且几乎无位错的晶粒组成的结晶相，当应变发生时该结晶相阻止了局部剪切带的移动传播，在任何已出现的剪切带内，嵌入的晶粒分裂和旋转，也有利于材料强化和抵抗剪切带的软化效果。
文献链接：Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys(Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature21691)
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15.Science: 贵金属与过渡金属碳化物自组装构建核壳结构高效电催化剂
MIT的Sean T. Hunt 等人报道了使用模板法制备出单原子层的贵金属负载与过度金属碳化物表面的核壳结构催化剂。首先将贵金属盐和过度金属氧化物包裹在SiO2模板内，然后进行分步碳化处理，最后去除SiO2模板，制备出在过渡金属碳化物表面负载单层贵金属核壳结构催化剂，该催化剂表现出了超高的电催化活性与稳定性。
原文链接：Self-assembly of noble metal monolayers on transition metal carbide nanoparticle catalysts
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16.Nature：兼具金属导电性和绝缘体极性的“极性金属”
美国威斯康星大学Kim等人结合理论和实验首次在二维薄膜上，实现了设计极性金属的理论原则，并基于几何设计稳定性思想，利用反转保留位移的原子操控方法，在NdNiO3(一种钙钛矿结构晶体)薄膜上，制备出了室温下可稳定存在的极性金属。这种几何设计稳定性的方法为发现多种特性共存的新型多功能材料的研究提供了一条新奇快捷的方法，为下一代同时具有光电磁功能的器件研究铺就了道路。作者预测，这种非平衡态几何设计稳定性的方法为在复杂氧化物中寻找新奇铁相，自旋结构和拓扑相等领域的发展提供了一块沃土。
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17.science：镧系金属与铂组成合金的ORR催化性能
丹麦科技大学Escudero-Escribano等人研究了一系列铂与镧系元素和碱金属组成的合金的ORR催化性能。相较于纯铂，性能最高提升了6倍。
本文亮点在于系统的研究了镧系金属与铂组成合金的ORR催化性能。在氧气饱和的0.1 M HClO4电解质溶液中，作者获得了铂-镧系合金优异的ORR性能；同时在0.6V~1.0V之间循环伏安10000圈，探究了其稳定性，并从微观上对合金失活给予进一步解释。作者通过对比铂-镧系合金，其ORR催化活性与体积晶格常数遵循火山峰关系。
文章详情：Science：通过镧系金属调节铂合金的电催化性能