北京时间2月28日，又一来自复旦团队的突破性成果，登上《科学》杂志。面向超晶格可编程化设计与构建难题，复旦大学化学系董安钢、李同涛团队，联合高分子科学系李剑锋团队及新加坡南洋理工大学倪冉团队发表题为“Curvature-guided depletion stabilizes Kagome superlattices of nanocrystals”（基于曲率介导的排空力构建纳米颗粒笼目超晶格）的论文。
该研究利用凹形纳米颗粒为构建基元，通过调变颗粒的局部曲率来调控颗粒间的排空力，成功实现了笼目晶格（Kagome lattice）等一系列新型超晶格材料的可控构建，为纳米颗粒自组装领域提供了全新的研究范式，有望在催化、能源、功能器件等领域带来创新性应用。
主要参与者（左起）：李同涛、万思妤、董安钢、李剑锋
聚焦非凸纳米颗粒，实现“锁-钥”精准匹配组装
纳米颗粒被认为是“人造原子”，基于其可控组装构筑而成的超晶格（或超晶体）是一类具有晶体对称性的介观凝聚态物质，在能源、催化、力学、光电器件、生物医药等领域具有重要的应用价值。然而，实现超晶格材料的可编程化设计面临一个重要挑战：如何模拟原子成键，驱动颗粒间的选择性识别与方向性键合。
过去，超晶格领域的前沿研究主要由欧美研究团队主导，且大多集中于球形或凸多面体纳米颗粒的研究。复旦大学团队另辟蹊径，提出利用非凸（nonconvex）纳米颗粒为构建基元，并通过调控颗粒的局部曲率，创造出类原子价键特性的颗粒间定向相互作用。
这一原理类似于“锁与钥匙”的关系。复旦大学化学系教授董安钢表示：“我们设计并合成了哑铃形纳米晶，利用其头部与腰部曲率自互补的特点，实现了互锁式长程有序组装。”哑铃形颗粒之间的凹凸互补组装模式，犹如钥匙与锁芯之间的精准匹配。
通过调控颗粒凹凸互补模式，获得高质量Kagome超晶格
通过构建一系列新型超晶格结构，团队展示了非凸纳米颗粒作为构建基元的巨大潜力，其中Kagome晶格是最具代表性的超晶格结构。复旦大学化学系青年研究员李同涛介绍：“这种Kagome结构非常有趣，它由共顶点的正六边形和正三角形周期性排列构成，是一种非密堆积的平面拓扑结构，也是我国传统灯笼、竹筐编织中的常见图案。” 这些编织图案背后蕴藏着深刻的数学与物理奥秘，是当前凝聚态物理与拓扑量子材料的前沿研究方向。然而，利用纳米晶为基元构建介观Kagome晶格此前尚未实现。
该研究通过优化合成条件制备了凹度适中的哑铃形颗粒，并基于气液界面组装技术，获得了高质量的二维Kagome超晶格，其单晶区域可达数十平方微米，包含超过10万个凹凸互锁的哑铃形颗粒。“这种精度是传统3D打印和光刻技术难以比拟的，再次展现了纳米自组装技术在物质制备中的优势。”李同涛说。该Kagome超晶格具有p6对称性，展现出独特的面内手性，有望带来全新的光学性质。
“引入具有凹面特征的纳米颗粒作为构建基元，是这项研究的最大亮点。”在董安钢看来，这一研究思路为超晶格材料的按需定制开辟了全新的研究方向和视角。通过调控颗粒的曲率特性，并结合机器学习，未来有望真正实现超晶格材料的可编程化设计，进而推动纳米组装科学的发展。
理论与实验紧密结合，共同揭示非凸纳米颗粒自组装的规律与原理
纳米颗粒自组装研究涉及化学、物理学、材料学等多个学科的知识和技能。复旦大学化学系董安钢、李同涛团队长期致力于纳米颗粒组装与应用研究，而高分子科学系李剑锋团队则专注于软物质的理论计算。双方一致认为，实验与理论的深度交叉融合是解决复杂科学问题的关键。
2021年底，董安钢团队首次发现了Kagome晶格，并意识到超晶格的形成背后可能有着非常奇特的组装原理。随后，董安钢向李剑锋介绍了团队所合成的哑铃状颗粒及实验中所观察到的一些自组装结构。李剑锋随即带领理论团队，针对不同形状的纳米颗粒，进行详细的相图计算。完成理论计算后，李剑锋将结果反馈给实验团队。
“计算结果精准预测了超晶格的形成结构，并与实验数据高度吻合。”李剑锋回忆道，“当纳米颗粒腰部较细或较粗时，理论上最可能出现的超晶格结构，都在实验中得到了验证。”
理论计算表明，非密堆积的Kagome超晶格是热力学稳定相，新加坡南洋理工大学倪冉教授团队通过模拟分析证实其稳定性源自曲率介导的排空吸引力。在此分析基础上，研究团队进一步简化模型，构建出了哑铃形颗粒超晶格的结构理论预测框架，为深入理解非凸纳米颗粒的自组装行为提供了重要的理论依据。
“结构决定性质，性质决定应用，搞清楚不同超晶格结构的形成机理至关重要，这也是调控超晶格性质、实现超晶格功能化应用的关键所在。”董安钢表示，这项研究仅是一个开始，团队正在探索其它非凸纳米颗粒基元，并计划进一步深入研究纳米尺度下物质组装机制与原理。
（中国日报上海分社 周文婷）
扫码下载
中文网微信