IT之家 2 月 28 日消息，超晶格是由納米顆粒組裝而成的介觀晶體材料，在能源、催化、光電器件等領(lǐng)域具重要應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)研究多聚焦球形或凸多面體納米顆粒，難以實(shí)現(xiàn)類似原子價(jià)鍵的精準(zhǔn)組裝。
今日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系董安鋼、李同濤團(tuán)隊(duì)聯(lián)合高分子科學(xué)系李劍鋒團(tuán)隊(duì)及新加坡南洋理工大學(xué)倪冉團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了其最新研究成果。
該成果通過(guò)調(diào)控非凸納米顆粒的局部曲率，首次實(shí)現(xiàn)籠目（Kagome）超晶格的可控構(gòu)建，為納米顆粒自組裝領(lǐng)域提供了全新研究范式，有望推動(dòng)催化、能源、功能器件等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
過(guò)去，超晶格領(lǐng)域的前沿研究主要由歐美研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，且大多集中于球形或凸多面體納米顆粒的研究。復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出利用非凸（nonconvex）納米顆粒為構(gòu)建基元，并通過(guò)調(diào)控顆粒的局部曲率，模擬“鎖-鑰”精準(zhǔn)匹配機(jī)制，創(chuàng)造出類原子價(jià)鍵特性的顆粒間定向相互作用。
董安鋼教授表示：“我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了啞鈴形納米晶，利用其頭部與腰部曲率自互補(bǔ)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了互鎖式長(zhǎng)程有序組裝?！眴♀徯晤w粒之間的凹凸互補(bǔ)組裝模式，猶如鑰匙與鎖芯之間的精準(zhǔn)匹配。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
驅(qū)動(dòng)力機(jī)制：熵效應(yīng)產(chǎn)生的排空力（depletion）是凹凸互鎖組裝的主要驅(qū)動(dòng)力。引入排空效應(yīng)強(qiáng)化了凹凸面之間的吸引與識(shí)別能力，有效克服了非凸顆粒因幾何約束可能導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)陷阱，從而促進(jìn)了高質(zhì)量超晶格的可控生成。
結(jié)構(gòu)調(diào)控：通過(guò)調(diào)節(jié)啞鈴形顆粒的凹度（腰與頭寬度比），團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)顆粒鍵合方向的精準(zhǔn)控制，構(gòu)筑了多種低密度、低對(duì)稱性的復(fù)雜超晶格結(jié)構(gòu)。
董安鋼說(shuō)，“顆粒凹凸互鎖組裝模式克服了傳統(tǒng)納米顆粒相互作用難以精準(zhǔn)調(diào)控的難題，為納米基元鍵合方向性的調(diào)節(jié)提供了前所未有的精度與靈活性。”
通過(guò)構(gòu)建一系列新型超晶格結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)展示了非凸納米顆粒作為構(gòu)建基元的巨大潛力，其中 Kagome 晶格是最具代表性的超晶格結(jié)構(gòu)。
Kagome 晶格由共頂點(diǎn)的正六邊形和正三角形周期性排列構(gòu)成，是一種非密堆積的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有 p6 對(duì)稱性和獨(dú)特的面內(nèi)手性。
團(tuán)隊(duì)優(yōu)化合成條件，制備凹度適中的啞鈴形顆粒，并基于氣液界面組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量二維 Kagome 超晶格的可控制備。相較于傳統(tǒng) 3D 打印和光刻技術(shù)，納米自組裝技術(shù)在精度與規(guī)模上具有顯著優(yōu)勢(shì)，為功能材料的按需定制提供了新途徑。
該研究通過(guò)優(yōu)化合成條件制備了凹度適中的啞鈴形顆粒，并基于氣液界面組裝技術(shù)，獲得了高質(zhì)量的二維 Kagome 超晶格，其單晶區(qū)域可達(dá)數(shù)十平方微米，包含超過(guò) 10 萬(wàn)個(gè)凹凸互鎖的啞鈴形顆粒?！斑@種精度是傳統(tǒng) 3D 打印和光刻技術(shù)難以比擬的，再次展現(xiàn)了納米自組裝技術(shù)在物質(zhì)制備中的優(yōu)勢(shì)?！崩钔瑵f(shuō)。該 Kagome 超晶格具有 p6 對(duì)稱性，展現(xiàn)出獨(dú)特的面內(nèi)手性，有望帶來(lái)全新的光學(xué)性質(zhì)。
理論計(jì)算表明，非密堆積的 Kagome 超晶格是熱力學(xué)穩(wěn)定相，新加坡南洋理工大學(xué)倪冉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬分析證實(shí)其穩(wěn)定性源自曲率介導(dǎo)的排空吸引力。在此分析基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，構(gòu)建出了啞鈴形顆粒超晶格的結(jié)構(gòu)理論預(yù)測(cè)框架，為深入理解非凸納米顆粒的自組裝行為提供了重要的理論依據(jù)。
2021 年底，董安鋼團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了 Kagome 晶格，并意識(shí)到超晶格的形成背后可能有著非常奇特的組裝原理。
“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定應(yīng)用，搞清楚不同超晶格結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理至關(guān)重要，這也是調(diào)控超晶格性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)超晶格功能化應(yīng)用的關(guān)鍵所在?！倍蹭摫硎荆@項(xiàng)研究?jī)H是一個(gè)開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)正在探索其它非凸納米顆?；?，并計(jì)劃進(jìn)一步深入研究納米尺度下物質(zhì)組裝機(jī)制與原理。
IT之家附論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu4125
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