山东
IT之家 2 月 28 日消息，超晶格是由纳米颗粒组装而成的介观晶体材料，在能源、催化、光电器件等领域具重要应用价值。然而，传统研究多聚焦球形或凸多面体纳米颗粒，难以实现类似原子价键的精准组装。
今日，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在《科学》杂志上发表了其最新研究成果。
该成果通过调控非凸纳米颗粒的局部曲率，首次实现笼目（Kagome）超晶格的可控构建，为纳米颗粒自组装领域提供了全新研究范式，有望推动催化、能源、功能器件等领域的创新应用。
▲主要参与者（左起）：李同涛、万思妤、董安钢、李剑锋，图源：复旦大学
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，模拟“锁-钥”精准匹配机制，创造出类原子价键特性的颗粒间定向相互作用。
董安钢教授表示：“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。
关键发现
驱动力机制：熵效应产生的排空力（depletion）是凹凸互锁组装的主要驱动力。引入排空效应强化了凹凸面之间的吸引与识别能力，有效克服了非凸颗粒因几何约束可能导致的动力学陷阱，从而促进了高质量超晶格的可控生成。
结构调控：通过调节哑铃形颗粒的凹度（腰与头宽度比），团队成功实现了对颗粒键合方向的精准控制，构筑了多种低密度、低对称性的复杂超晶格结构。
董安钢说，“颗粒凹凸互锁组装模式克服了传统纳米颗粒相互作用难以精准调控的难题，为纳米基元键合方向性的调节提供了前所未有的精度与灵活性。”
▲通过调控哑铃形纳米颗粒局部曲率设计二维超晶格结构
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。
Kagome 晶格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，具有 p6 对称性和独特的面内手性。
团队优化合成条件，制备凹度适中的哑铃形颗粒，并基于气液界面组装技术，实现高质量二维 Kagome 超晶格的可控制备。相较于传统 3D 打印和光刻技术，纳米自组装技术在精度与规模上具有显著优势，为功能材料的按需定制提供了新途径。
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。
▲由中凹度哑铃形颗粒自组装而成的手性 Kagome 晶格
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。
▲Kagome 晶格的形成机制研究
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。
“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。
IT之家附论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu4125
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