科學家實現新型納米顆粒超晶格

1日，記者從復旦大學獲悉，該校化學系董安鋼、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，成功實現了籠目晶格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範式，有望在催化、能源、功能器件等領域帶來創新性應用。相關研究成果近日發表在《科學》雜誌上。

納米顆粒被認為是“人造原子”，基於其可控組裝構築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。

以往，超晶格領域的前沿研究大多集中於球形或凸多面體納米顆粒。研究團隊此次另闢蹊徑，提出利用非凸納米顆粒為構建基元，並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。

“我們設計併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。”董安鋼介紹，這一原理類似於“鎖與鑰匙”的關係，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。”董安鋼説。

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。研究員李同濤介紹：“這種Kagome結構由共頂點的正六邊形和正三角形週期性排列構成，是一種非密堆積的平面拓撲結構，也是我國傳統燈籠、竹筐編織中的常見圖案。”

“引入具有凹面特徵的納米顆粒作為構建基元，是這項研究的最大亮點。”在董安鋼看來，這一研究思路為超晶格材料的按需定製開闢了全新的研究方向和視角。通過調控顆粒的曲率特性，並結合機器學習，未來有望真正實現超晶格材料的可編程化設計，進而推動納米組裝科學的發展。