【JACS】厦门大学林海昕团队：形状伪装策略构筑低密度超晶格

导语

近日，厦门大学化学化工学院林海昕教授团队与山东理工大学贺鸿鹏、夏侯玉娇，在《美国化学会志》（ Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/jacs.6c04705）上发表题为 “Entropy-Driven Assembly of Low-Density Superlattices via Shape Camouflage”的研究论文，报道了该团队在复杂超晶格构筑方向取得的新进展，提出利用“形状伪装”策略构筑低堆积密度超晶格，为获得低堆积密度超晶格提供了新路径。

前沿科研成果

自然界中的复杂结构往往来源于简单基元之间巧妙的排列方式。从原子晶体到胶体超晶格，如何利用纳米颗粒构筑具有特定拓扑结构的人工晶体，一直是纳米材料领域的重要研究课题。然而，在熵驱动策略下大多数纳米颗粒趋向于最大化填充率的堆积方式，易形成致密堆积结构。突破这一“密堆积定律”，构筑具有开放骨架和低填充率的新型超晶格，不仅能够丰富胶体晶体学理论，也有望为光子晶体、催化和能源材料带来全新的结构平台。

该工作针对传统硬球/凸多面体基元在熵驱动下极易形成密堆积结构的难题，提出了“形状伪装（Shape Camouflage）”策略。通过在金纳米核表面引入可牺牲的银外壳，暂时改变基元的表观几何形状，引导系统进入外壳形状的密堆积相，但对于内核形状是非密堆积相。在组装完成后，利用选择性化学刻蚀去除银层，成功获得了一系列具有高孔隙率的金纳米颗粒开放式超晶格结构。重点研究了形状伪装对熵驱动组装的影响机制，并实现了传统组装中难以实现的同形基元异构组装和异形基元同构组装。该策略在构筑强热点等离激元材料及低密度力学材料等方面具有潜在应用价值。

图1. 传统高密度堆叠与构建低堆积密度超晶格的形状伪装策略对比示意图。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

通过改变外延生长的银壳层厚度，实现了对粒子表观形貌的梯度调控，并引导同种金球内核“发散”组装出FCC、BCC和SC等多种不同对称性的三维超晶格。

图2.基于SCG策略构筑金纳米球的3D超晶体。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于这一思想，该工作不仅成功打破了各向同性金纳米球的最密堆积限制，构筑了从 FCC 到 BCC 以及 SC 相的系列超晶体；更进一步验证了该策略的高度几何普适性，引导八面体、菱形十二面体、单晶纳米棒以及三角双锥等各向异性基元，分别构筑出相较于自身非最密堆积的 3D 超晶体与 2D 开放网格结构。

图3.基于SCG策略构筑八面体和菱形十二面体3D超晶体。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

图4.基于SCG策略构筑非常规2D超晶格。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

该工作开发了一种形状伪装引导（SCG）策略，用于引导胶体趋向组装低密度超晶格结构。该方法通过暂时重新编程构筑基元的有效空间位阻，沿着壳层定义的路径驱动熵驱动组装，并在壳层去除后将所得的核壳晶格转化为开放式骨架。与许多依赖永久性模板或基底限域的模板化方法不同，SCG策略在组装状态下保留了颗粒间的直接接触，从而能够实现自支撑的二维和三维开放式骨架结构。

该策略提供了一种将颗粒形貌与晶格对称性解耦的实用途径，这体现在发散组装（即单一核心类型被导向多种相结构）和收敛组装（即不同核心几何形状被组织成类似的晶格骨架）两个方面的示例中。通过将可编程的壳层几何形状与浓度依赖的成核控制相结合，SCG方法能够获取密度和对称性可调的二维超晶格和三维超晶体。这些结果拓展了胶体超晶格的设计空间，并为研究和优化等离激元传感、近场催化及相关结构依赖性质提供了结构平台。

这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上，该论文第一作者是厦门大学博士研究生孙志伟、硕士研究生丁童童和刘晋成。本工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及中国博士后科学基金资助项目的支持。

论文信息

Entropy-Driven Assembly of Low-Density Superlattices via Shape Camouflage.

Zhiwei Sun, Tongtong Ding, Jincheng Liu, Rongqing Tan, Zhiping Zheng, Yuqiang Shi, Cong Shen, Yujiao Xiahou, Hongpeng He, Zhaoxiong Xie, Haixin Lin.

J. Am. Chem. Soc.2026, DOI: 10.1021/jacs.6c04705.

通讯作者简介

林海昕，厦门大学教授，博士生导师，国家级青年人才项目入选者。长期从事纳米材料的合成与组装研究。迄今已在国际学术刊物上发表SCI论文40余篇，包括以第一/通讯作者在Science、Nat. Mater.、Sci. Adv.（2篇）、J. Am. Chem. Soc.（6篇）、Adv. Mater.等期刊发表文章20篇。被引用4300余次，H-因子34。获批授权国际发明专利3项，涵盖纳米材料合成、光学和催化方向。主持国家自然科学基金面上项目、福建省自然科学基金面上项目、厦门市自然科学基金青年项目等。2017年获得国际纳米技术学会（International Institute for Nanotechnology）杰出研究奖。2020年入选国家级青年人才项目。2022年作为第三完成人获得福建省自然科学一等奖（热力学亚稳态纳米晶的形成机制与可控合成）。

贺鸿鹏，山东理工大学讲师，2021年博士毕业于山东大学晶体材料国家重点实验室，师从夏海兵教授，随后在厦门大学谢兆雄教授-林海昕教授团队从事博士后研究工作。2025年6月，加入山东理工大学化学化工学院。担任Material杂志客座编辑。主要从事功能纳米材料的可控合成和生长机理研究，尤其是基于贵金属纳米粒子的表界面控制；开展纳米粒子超晶体的结构逆向设计与自组装，并进一步开展在催化、光学和传感等方面的应用研究。在国际国内期刊发表SCI论文10余篇，参与多项国家自然科学基金面上项目和科技部重点项目。

夏侯玉娇，山东理工大学化学化工学院特聘副教授。2014年在山东师范大学获理学学士学位；随后进入山东大学晶体材料国家重点实验室，师从夏海兵教授进行硕博连读，于2019年获无机化学博士学位。博士毕业后，她先后在厦门大学化学化工学院田中群院士团队（2019–2023年，特任副研究员/博士后）以及嘉庚创新实验室/厦门大学林海昕教授和谢兆雄教授团队（2023–2025年，博士后）从事研究工作，并于2025年8月加入山东理工大学。她的研究方向聚焦于功能纳米材料的可控合成与自组装，涉及金属/非金属纳米材料的液相合成、化学气相沉积制备石墨烯包覆材料，以及等离激元纳米材料在表面增强光谱（如拉曼、红外）和光学传感领域的应用。目前，她已累计发表SCI论文18篇，申请国家发明专利5项；主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上资助等多项课题，并作为骨干成员参与国家重点研发计划和多项国家自然科学基金面上项目。

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