Science本月的第三篇文章！复旦队实现了新的纳米颗粒超晶格

03-01 07:04

原创创新突破的复旦大学

Science复旦又双重上线！

重磅成果在上周和上周陆续公布。

今天(2月28日)北京时间

另一个来自复旦队的突破性成果

登上《科学》杂志（Science）

面向可编程的超晶格设计与构建难题

董安钢、李同涛复旦大学化学系团队

李剑锋团队联合高分子科学系团队

以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”

(以曲率介导为基础的排尽量构建纳米粒笼目超晶格)

该研究采用凹形纳米颗粒构建基元。

通过调节颗粒局部曲率，尽可能控制颗粒间的排放。

笼目晶格的成功实现（Kagome lattice）等

可控构建一系列新型超晶格材料。

为纳米粒子自组装领域提供了全新的研究范式

有望进行催化、能源、功能器件

创新应用领域等领域带来创新应用

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主要参与者(左起)：李同涛，万思邈，董安钢，李剑锋

聚焦非凸纳米颗粒，实现“锁-钥”精确匹配组装。

纳米颗粒被称为“人造原子”。基于其可控组装的超晶格(或超晶格)是一种在能源、催化、力学、光电器件、生物医药等领域具有重要应用价值的晶体对称介观凝聚物。然而，实现超晶格材料的可编程设计面临着一个重要的挑战:如何模拟原子成键，驱动颗粒之间的选择性识别和方向性键合。

过去，超晶格领域的前沿研究主要由欧美的研究团队主导，大部分集中在球形或凸多面体纳米颗粒的研究上。复旦大学团队采取了不同的方法，提出使用非凸形（nonconvex）为了构建基元，纳米颗粒通过调节颗粒局部曲率，创造出类原子价键特征的颗粒间定向相互作用。

这个原理类似于“锁和钥匙”的关系。复旦大学化学系教授董安钢表示:“我们设计合成了哑铃纳米晶体，利用其头部和腰部曲率的自补特性，完成了长程有序的互锁组装。”哑铃颗粒之间的凹凸互补组装模式就像钥匙和锁芯之间的精确匹配。

研究发现，来自熵效应的排尽力而为（depletion）主要驱动力是颗粒凹凸互锁组装。引入排尽效应增强了凹凸面之间的吸引力和识别能力，有效解决了非凸粒可能因几何约束而引起的动态陷阱，从而促进了高品质超晶格的可控生成。此外，团队通过精确调整哑铃形颗粒凹度(即腰部和头部的宽度比)，成功控制了颗粒键合角度，构建了各种低密度、低对称的复杂超晶格结构。“颗粒凹凸互锁组装方式克服了传统纳米颗粒相互作用难以准确控制的问题，为纳米基元键合方向性调整提供了前所未有的准确性和灵活性。”董安钢说。

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二维超晶格结构是通过调节哑铃形纳米颗粒局部曲率来设计的。

通过调节颗粒凹凸互补，获得高质量的Kagome超晶格

通过建立一系列新的超晶格结构，团队展示了非凸纳米颗粒作为基元建设的巨大潜力，其中Kagome晶格是一种具有代表性的超晶格结构。复旦大学化学系青年研究员李同涛说:“这种Kagome结构非常有趣。它由正六边形和正三角形组成，这是一种非密集的平面拓扑结构，也是中国传统灯笼和竹篮编织中常见的图案。” 这类编织图案背后蕴含着深刻的数学和物理奥秘，是目前凝聚态物理和拓扑量子材料的前沿研究方向。不过，介观Kagome晶格以纳米晶为基元的构建尚未实现。

通过优化生成条件，该研究获得了高质量的二维Kagome超晶格，基于汽液界面组装技术，其单晶面积可达数十平方米μm，包含超过10万个哑铃形颗粒，凹凸互锁。"这一精度是一般3D打印和光刻技术无法比拟的，纳米自组装技术在物质制备方面的优势再次显现。”李同涛说。这款Kagome超晶格具有p6对称性，表现出独特的面内手性，有望带来全新的光学性质。

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手性Kagome晶格格，由中凹度哑铃颗粒自组装而成。

这项研究最大的亮点是引入具有凹面特征的纳米颗粒作为构建基元。”在董安钢看来，这一研究思路为超晶格材料的定制开辟了全新的研究方向和角度。通过调节颗粒曲率特征，结合机器学习，预计超晶格材料的可编程设计将在未来真正实现，从而促进纳米组装的科学发展。

理论联系实验，共同揭示自组装非凸纳米颗粒的规律和原理

纳米粒子自组装研究涉及化学、物理、材料等多个学科的知识和技能。复旦大学化学系董安钢和李同涛的团队长期致力于纳米粒子的组装和应用研究，而高分子科学系李剑锋的团队致力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核心。

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一个非常奇怪的装配原理。随后，董安钢向李剑锋介绍了团队生成的哑铃颗粒和实验中看到的一些自组装结构。随后，李剑锋带领理论团队对不同形状的纳米颗粒进行全面计算。理论计算完成后，李剑锋将结果反馈给实验团队。

“数值准确预测了超晶格的形成结构，与测试数据高度一致。”李剑锋回忆说:“当纳米颗粒的腰部较细或较粗时，理论上最有可能发生的超晶格结构在实验中得到了验证。”

在整个研究过程中，实验小组需要对理论模型有深入的了解，理论小组也必须准确掌握实验中的关键细节。团队成员定期召开视频会议和线下讨论，进行深入交流和学习。整个过程持续了三年。虽然最终的结果是相图，但背后有很多计算工作。“有些结果甚至在推翻后重新开始，这个过程充满了挑战。”李剑锋说。

根据理论计算，非密集Kagome超晶格是一种热学稳定性，新加坡南洋理工大学倪冉教授团队通过模拟分析确认其稳定性来自曲率介绍的吸引力。在此分析的基础上，研究小组进一步简化了模型，构建了哑铃颗粒超晶格的结构理论预测框架，为深入了解非凸纳米颗粒的自组装行为提供了重要的理论依据。

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Kagome晶格的形成机制研究

“结构决定特性，特性决定应用，尤其重要的是找出不同超晶格结构的形成机制，这也是控制超晶格特性，实现超晶格功能应用的关键因素。”董安钢表示，这项研究只是一个开始。该团队正在探索其他非凸纳米颗粒基元，并计划在纳米尺度下进一步研究物质组装机制和原理。

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复旦大学化学系董安钢队

复旦大学化学系博士后万思邈、新加坡南洋理工大学博士后夏秀杨是第一篇论文作者，复旦大学化学系董安钢教授、李同涛青年研究员、高分子科学系李剑锋教授、新加坡南洋理工大学倪冉教授是第一个完成本工作的单位。该研究获得了国家自然科学基金、科技部重点R&D计划、上海市科委基础研究领域重点项目、复旦大学“卓学优秀人才”计划等资金。

来源

化学系聚合物科学系

组稿

校融媒体中心

文字

丁超逸殷梦昊

责编

殷梦昊

编辑

郑艺

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