復(fù)旦科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)新納米顆粒超晶格,！北京時(shí)間2月28日,，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系董安鋼,、李同濤團(tuán)隊(duì)與高分子科學(xué)系李劍鋒團(tuán)隊(duì)及新加坡南洋理工大學(xué)倪冉團(tuán)隊(duì)合作，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為“基于曲率介導(dǎo)的排空力構(gòu)建納米顆?；\目超晶格”的論文,。該研究利用凹形納米顆粒作為構(gòu)建基元，通過調(diào)整顆粒的局部曲率來調(diào)控顆粒間的排空力,，成功實(shí)現(xiàn)了籠目晶格等一系列新型超晶格材料的可控構(gòu)建,，為納米顆粒自組裝領(lǐng)域提供了全新的研究范式，有望在催化,、能源,、功能器件等領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性應(yīng)用。

納米顆粒被視為“人造原子”,，基于其可控組裝構(gòu)筑而成的超晶格具有晶體對稱性的介觀凝聚態(tài)物質(zhì),，在多個領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。然而,，實(shí)現(xiàn)超晶格材料的可編程化設(shè)計(jì)面臨一個重要挑戰(zhàn)：如何模擬原子成鍵,，驅(qū)動顆粒間的選擇性識別與方向性鍵合。過去的研究主要集中在球形或凸多面體納米顆粒上,，而復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出利用非凸納米顆粒,，并通過調(diào)控顆粒的局部曲率，創(chuàng)造出類原子價(jià)鍵特性的顆粒間定向相互作用,。

這種原理類似于“鎖與鑰匙”的關(guān)系,。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授董安鋼表示：“我們設(shè)計(jì)并合成了啞鈴形納米晶，利用其頭部與腰部曲率自互補(bǔ)的特點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)了互鎖式長程有序組裝,。”通過優(yōu)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(shù),，獲得了高質(zhì)量的二維Kagome超晶格，其單晶區(qū)域可達(dá)數(shù)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(tǒng)3D打印和光刻技術(shù)難以比擬的，展現(xiàn)了納米自組裝技術(shù)在物質(zhì)制備中的優(yōu)勢,。該Kagome超晶格具有p6對稱性,，展現(xiàn)出獨(dú)特的面內(nèi)手性，有望帶來全新的光學(xué)性質(zhì),。

引入具有凹面特征的納米顆粒作為構(gòu)建基元,，是這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)。這一研究思路為超晶格材料的按需定制開辟了全新的研究方向和視角。通過調(diào)控顆粒的曲率特性,，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),，未來有望真正實(shí)現(xiàn)超晶格材料的可編程化設(shè)計(jì)，推動納米組裝科學(xué)的發(fā)展,。

納米顆粒自組裝研究涉及多個學(xué)科的知識和技能,。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系董安鋼、李同濤團(tuán)隊(duì)長期致力于納米顆粒組裝與應(yīng)用研究,，而高分子科學(xué)系李劍鋒團(tuán)隊(duì)則專注于軟物質(zhì)的理論計(jì)算,。雙方一致認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)與理論的深度交叉融合是解決復(fù)雜科學(xué)問題的關(guān)鍵,。2021年底,，董安鋼團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)所合成的啞鈴狀顆粒及實(shí)驗(yàn)中觀察到的一些自組裝結(jié)構(gòu)。李劍鋒帶領(lǐng)理論團(tuán)隊(duì)進(jìn)行詳細(xì)的相圖計(jì)算,，結(jié)果精準(zhǔn)預(yù)測了超晶格的形成結(jié)構(gòu),，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。理論計(jì)算表明,，非密堆積的Kagome超晶格是熱力學(xué)穩(wěn)定相,，新加坡南洋理工大學(xué)倪冉教授團(tuán)隊(duì)通過模擬分析證實(shí)其穩(wěn)定性源自曲率介導(dǎo)的排空吸引力。在此基礎(chǔ)上,，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步簡化模型,，構(gòu)建出了啞鈴形顆粒超晶格的結(jié)構(gòu)理論預(yù)測框架，為深入理解非凸納米顆粒的自組裝行為提供了重要的理論依據(jù),。

董安鋼表示,，這項(xiàng)研究僅是一個開始，團(tuán)隊(duì)正在探索其他非凸納米顆?；?，并計(jì)劃進(jìn)一步深入研究納米尺度下物質(zhì)組裝機(jī)制與原理。