科研动态|我院科研人员在手性纳米结构研究方面取得重要进展
2020-07-09 09:11:34

手性这一概念广泛存在于自然界的各个角落,大到宇宙天体旋转,小到生物体内最重要的能源物质¾糖类。现代化学与材料学中手性也展现出了强大的影响力,活跃于制药,显示,传感等不同领域。在软材料领域,得益于自组装这一独特的机制,手性可以同时出现在多尺度、多层级的复杂自组装结构当中。随着合成与制备技术的成熟,对于纳米尺度材料,从分子层次了解手性物质结构,是研究手性内在物理特性的必要需求,也是对手性材料性能进一步优化的重要手段。目前针对材料手性的表征方法,主要依赖于电子显微镜或圆二色谱,遗憾的是,这类技术往往只能提供形貌信息以及定性的判断手性的存在与否,难以提供分子层次的结构信息。此外,限于样品制备条件,电子显微镜进行原位测试也存在很多潜在的难点。

针对这一科学问题,西安交通大学材料学院、陕西省软物质国际联合研究中心的研究人员,与美国劳伦斯伯克利国家实验室以及斯洛文尼亚马里博尔大学等研究人员合作,利用共振软X射线散射(RSoXS)研究了不同形状分子(棒状,扇形等)形成双螺旋二十四面体(double gyroid)结构的自组装行为,从而首次成功地从分子层次解析了该结构。Double gyroid做为一种广泛存在于自然界以及各类材料当中的立方结构,是由两套具有相反手性的连续网络相互嵌套而成。得益于其网络的连续性,这类结构在质子导体以及电池等领域都有相当大的潜在应用价值,而理解此复杂结构中分子排布的方式是其迈向应用的重要一步。在共振条件下,线偏振X射线可以识别分子内或是分子间的极性,而极性的周期性变化也可以作为RSoXS的信号来源,提供分子层次上的结构信息。借助于这种特性以及原位X射线能量扫描,研究人员成功地发现了本征系统消光的(110)与(200)衍射峰,这类衍射峰在晶体学中被称为forbidden peak。为了深入理解forbidden peak与分子排布之间的关系,揭示其隐含的结构信息,研究人员通过简化的结构模型,结合散射理论,对RSoXS散射图谱进行模拟计算,所得的模拟结果与实验结果完全一致。这一发现首次从分子层次的角度解析了double gyroid结构,并且证明了RSoXS在分子层次上对手性结构的强大解析能力,为解析和表征其他手性结构提供了新的思路。

近日,该研究成果以《通过共振软X射线散射解析双螺旋二十四面体型网络中分子排布》(Molecular Packing in Double Gyroid Cubic Phases Revealed via Resonant Soft X-ray Scattering)为题发表在国际物理领域旗舰期刊《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)上。该论文第一作者为西安交大材料学院博士生曹瑜,通讯作者是西安交大金属材料强度国家重点实验室的刘峰教授,美国劳伦斯伯克利国家实验室朱陈辉研究员以及斯洛文尼亚马里博尔大学及Nataša Vaupotič教授,西安交大金属材料强度国家重点实验室为本文的第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国际合作项目以及国家留学基金委等共同资助。

刘峰教授领导的功能软材料团队成立于2013年,研究方向涉及软材料的基础理论、制备合成、物理与化学特性。本工作是团队今年在化学类旗舰期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2725-2729; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10143-10150)、高分子类旗舰期刊《Macromolecules》(Macromolecules 2020, 53, 4193-4203)上发表工作成果之后,又在物理类旗舰杂志上发表重要研究成果。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.027801

编辑:yxh0503