近日，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)，成功實(shí)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(lái)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(duì)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(jià)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(duì)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(guò)調(diào)控顆粒的局部曲率，創(chuàng)造出類原子價(jià)鍵特性的顆粒間定向相互作用。

“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。”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。

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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(shuō)。

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)。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(guó)傳統(tǒng)燈籠、竹筐編織中的常見(jiàn)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(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)。”在董安鋼看來(lái)，這一研究思路為超晶格材料的按需定制開(kāi)辟了全新的研究方向和視角。通過(guò)調(diào)控顆粒的曲率特性，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，未來(lái)有望真正實(shí)現(xiàn)超晶格材料的可編程化設(shè)計(jì)，進(jìn)而推動(dòng)納米組裝科學(xué)的發(fā)展。