作者:刘鸣华等 来源:《自然—纳米技术》 发布时间:2022/11/4 0:08:17
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中科院化学所在多级手性自组装领域取得重要进展

 

北京时间2022年11月4日,中国科学院化学研究所刘鸣华研究团队在Nature Nanotechnology期刊上发表了一篇题为“Hierarchically self-assembled homochiral helical microtoroids”的研究论文。

研究团队发展了溶液-界面联合多级自组装新策略,实现了手性从分子层次到微米层次的跨尺度传递与精确控制,构建了大面积的单分散同手性螺旋微环结构,揭示了微观结构手性调制的圆二色性与圆偏振发光性能构效关系,为理解自组装手性传递机制、发展多层次手性微结构与光功能体系提供了一种新途径。

论文通讯作者是刘鸣华、欧阳光辉;第一作者是杜聪、李祖舰。

手性是指物质与其镜像不能重合的不对称特征,是自然界的普遍现象。在生命的产生与演变过程中,手性分子作为一个重要的基本单元和构筑因子来控制多层次生物结构如双螺旋DNA和α-螺旋蛋白等,在生命体系中起着至关重要的作用;另一方面,手性物质能使光的偏振面发生旋转,产生特殊的光学特性,因此,手性调制的功能分子与材料受到科学界越来越多的关注,逐渐在医药、农药、信息、生物和光电功能材料等领域展示了应用潜力。从小分子到高分子、超分子以及尺度更大的纳米、微米等高级结构和材料的构筑过程中,多层次手性物质的拓扑形貌和跨尺度手性控制对理解自然界同手性起源及调制手性功能方面起着至关重要的作用。

师法自然,基于分子间弱相互作用的自组装化学是构建分子以上层次手性物质的重要途径。然而,相比于手性分子的精准不对称合成,具有纳米、微米乃至更大尺度的手性自组装结构往往难以精准构建,体现在多级手性难控制、结构有缺陷、尺寸分散性较差等方面。因此,从分子组装出发实现单分散手性纳微结构的精准构建一直是手性科学和自组装化学领域的难题之一。

图1:溶液-界面多级自组装策略与同手性螺旋微环结构的构建。

最近,在国家自然科学基金委重大项目和中国科学院相关研究项目的支持下,中国科学院化学研究所刘鸣华研究员课题组在溶液手性自组装化学的研究基础上,发展了溶液-界面多级自组装新策略,综合溶液体系的自组装和二维基底的表面限域效应,实现了微米尺度单分散同手性螺旋微环的精准构建与圆偏振发光应用,为理解自组装手性传递机制、发展多层次手性纳微结构与新型手性功能体系提供了一种新思路。

课题组设计合成了系列两亲性联二萘手性双脲组装基元分子,并通过合成对照分子优化了烷基尾链长度和双脲基团分子内氢键对自组装的影响。经由程序降温控制,联二萘手性双脲的过饱和溶液首先形成纳米尺度胶体分散相,得到冷冻电镜和动态光散射数据以及系列原位光谱数据等支持。进一步将这些纳米聚集体转移到二维基底上,在溶剂蒸发驱动下,经由界面张力以及预聚集体之间的手性作用控制,纳米聚集体进一步发生融合与再组装,形成微米尺度同手性螺旋环形结构,且具有较好的单分散性。

通过涂膜或旋涂的方式,这一溶液-界面多级组装策略可以在诸如硅片、石英、云母和玻璃等多种基底上在较大面积范围内制备同手性螺旋微环。基于变温光谱、单晶衍射和电镜表征等实验数据,以及密度泛函计算和分子动力学模拟等理论分析结果,他们提出了聚集-环化的分级组装机制。构效关系研究表明,界面微环结构在介导自组装圆偏振发光时起到了重要作用。通过在螺旋微环中掺杂手性受体染料,他们进一步制备了兼具环形与圆偏振发光特征的新型手性捕光天线模型。该工作为精准构建多层次手性组装结构提供了一种新思路,有望推动手性自组装技术在超分子功能材料与纳米拓扑学等领域的发展。

图2:单晶结构分析与分子动力学模拟。

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图3:微观结构手性构效关系与新型手性捕光天线模型。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41565-022-01234-w

 
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