中國青年報客戶端訊（丁超逸殷夢昊中青報·中青網記者王燁捷）日前，復旦大學化學系董安鋼、李同濤團隊，聯合高分子科學系李劍鋒團隊及新加坡南洋理工大學倪冉團隊在《科學》（Sicence）雜志上發表題為“基于曲率介導的排空力構建納米顆粒籠目超晶格”的論文。
主要參與者左起分別為李同濤、萬思妤、董安鋼、李劍鋒。受訪團隊供圖
該研究利用凹形納米顆粒為構建基元，通過調變顆粒的局部曲率來調控顆粒間的排空力，成功實現了籠目晶格（Kagome lattice）等一系列新型超晶格材料的可控構建，為納米顆粒自組裝領域提供了全新的研究范式，有望在催化、能源、功能器件等領域帶來創新性應用。
納米顆粒被認為是“人造原子”，基于其可控組裝構筑而成的超晶格（或超晶體）是一類具有晶體對稱性的介觀凝聚態物質，在能源、催化、力學、光電器件、生物醫藥等領域具有重要的應用價值。然而，實現超晶格材料的可編程化設計面臨一個重要挑戰：如何模擬原子成鍵，驅動顆粒間的選擇性識別與方向性結合。
過去，超晶格領域的前沿研究主要由歐美研究團隊主導，且大多集中于球形或凸多面體納米顆粒的研究。復旦大學團隊另辟蹊徑，提出利用非凸（nonconvex）納米顆粒為構建基元，并通過調控顆粒的局部曲率，創造出類原子價鍵特性的顆粒間定向相互作用。
這一原理類似于“鎖與鑰匙”的關系。復旦大學化學系教授董安鋼介紹，團隊設計并合成了啞鈴形納米晶，利用其頭部與腰部曲率自互補的特點，實現了互鎖式長程有序組裝。啞鈴形顆粒之間的凹凸互補組裝模式，猶如鑰匙與鎖芯之間的精準匹配。
“顆粒凹凸互鎖組裝模式克服了傳統納米顆粒相互作用難以精準調控的難題，為納米基元鍵合方向性的調節提供了前所未有的精度與靈活性。”董安鋼說。
（通過調控啞鈴形納米顆粒局部曲率設計二維超晶格結構。受訪者供圖）
通過構建一系列新型超晶格結構，團隊展示了非凸納米顆粒作為構建基元的巨大潛力，其中Kagome晶格是最具代表性的超晶格結構。復旦大學化學系青年研究員李同濤介紹，這項研究通過優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，獲得了高質量的二維Kagome超晶格，其單晶區域可達數十平方微米，包含超過10萬個凹凸互鎖的啞鈴形顆粒，“這種精度是傳統3D打印和光刻技術難以比擬的，再次展現了納米自組裝技術在物質制備中的優勢”。據悉，該Kagome超晶格具有p6對稱性，展現出獨特的面內手性，有望帶來全新的光學性質。
（由中凹度啞鈴形顆粒自組裝而成的手性Kagome晶格。受訪團隊供圖）
據悉，納米顆粒自組裝研究涉及化學、物理學、材料學等多個學科的知識和技能。復旦大學化學系董安鋼、李同濤團隊長期致力于納米顆粒組裝與應用研究，而高分子科學系李劍鋒團隊則專注于軟物質的理論計算。
2021年底，董安鋼團隊首次發現了Kagome晶格，并意識到超晶格的形成背后可能有著非常奇特的組裝原理。隨后，董安鋼向李劍鋒介紹了團隊所合成的啞鈴狀顆粒及實驗中所觀察到的一些自組裝結構。李劍鋒隨即帶領理論團隊，針對不同形狀的納米顆粒，進行詳細的相圖計算。完成理論計算后，李劍鋒將結果反饋給實驗團隊。
復旦大學化學系博士后萬思妤、新加坡南洋理工大學博士后夏秀楊為論文共同第一作者，復旦大學化學系董安鋼教授、李同濤青年研究員、高分子科學系李劍鋒教授以及新加坡南洋理工大學倪冉教授為論文共同通訊作者，復旦大學為本工作的第一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、上海市科委基礎研究領域重點項目、復旦大學“卓學優秀人才”計劃等經費的資助。
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