近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系董安鋼、李同濤團(tuán)隊聯(lián)合高分子科學(xué)系李劍鋒團(tuán)隊及新加坡南洋理工大學(xué)倪冉團(tuán)隊，成功實現(xiàn)了籠目晶格等一系列新型超晶格材料的可控構(gòu)建，為納米顆粒自組裝領(lǐng)域提供了全新的研究范式，有望在催化、能源、功能器件等領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性應(yīng)用。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

納米顆粒被認(rèn)為是“人造原子”，基于其可控組裝構(gòu)筑而成的超晶格或超晶體，是一類具有晶體對稱性的介觀凝聚態(tài)物質(zhì)，在能源、催化、力學(xué)、光電器件、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

以往，超晶格領(lǐng)域的前沿研究大多集中于球形或凸多面體納米顆粒。研究團(tuán)隊此次另辟蹊徑，提出利用非凸納米顆粒為構(gòu)建基元，并通過調(diào)控顆粒的局部曲率，創(chuàng)造出類原子價鍵特性的顆粒間定向相互作用。

“我們設(shè)計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)，實現(xiàn)了互鎖式長程有序組裝。”董安鋼介紹，這一原理類似于“鎖與鑰匙”的關(guān)系，啞鈴形顆粒之間的凹凸互補(bǔ)組裝模式，猶如鑰匙與鎖芯之間的精準(zhǔn)匹配。

圖片:303456_84a6bbed-fce8-4076-a965-827a12a4bcca.jpg

由中凹度啞鈴形顆粒自組裝而成的手性Kagome晶格。

“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。”董安鋼說。

通過構(gòu)建一系列新型超晶格結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊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)。研究員李同濤介紹：“這種Kagome結(jié)構(gòu)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)，也是我國傳統(tǒng)燈籠、竹筐編織中的常見圖案。”

“引入具有凹面特征的納米顆粒作為構(gòu)建基元，是這項研究的最大亮點(diǎn)。”在董安鋼看來，這一研究思路為超晶格材料的按需定制開辟了全新的研究方向和視角。通過調(diào)控顆粒的曲率特性，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，未來有望真正實現(xiàn)超晶格材料的可編程化設(shè)計，進(jìn)而推動納米組裝科學(xué)的發(fā)展。