复旦大学团队首次实现可控构建Kagome超晶格，引领纳米颗粒自组装新研究范式
时间：2025-03-09 04:20
小编：小世评选
在纳米技术快速发展的今天，超晶格作为一种由纳米颗粒自组装而成的介观材料，因其在能源、催化和光电器件等高科技领域的潜在应用，备受关注。传统的研究往往集中于球形或凸多面体纳米颗粒，这一局限性令精准的颗粒组装和控制变得异常困难。近日，复旦大学化学系董安钢教授和李同涛教授的团队，联合高分子科学系的李剑锋教授及新加坡南洋理工大学的倪冉教授，共同在《科学》杂志上发表了重要研究成果，成功实现了可控Kagome超晶格的构建，标志着纳米颗粒自组装研究进入了全新的时代。
研究团队的创新点主要体现在充分调控非凸纳米颗粒的局部曲率方面。他们提出了通过调整纳米颗粒的形状和相互作用，使其具备类似于原子价键的特性，进而实现超晶格的精确组装。这种新方法可以将纳米颗粒看作是一把把“钥匙”，通过设计特定的“锁”，从而精准地让这些纳米颗粒进行组合，避免了传统方法中常见的随机性和不稳定性。
董安钢教授在介绍研究成果时表示，团队利用哑铃形纳米晶的独特设计，成功实现了其互补特性，可以通过该结构的头部与腰部的曲率实现高效的组装，“这种互锁式组装的方式，不仅提高了长程有序结构的形成效率，还增强了不同颗粒之间的识别能力”。这一发现为纳米颗粒的自组装机制提供了新的思路，使得过去阻碍研究的几何约束问题得以有效克服。
研究过程中，团队发现熵效应引起的排空力（depletion）正是凹凸颗粒互锁组装的主要驱动力。这种力的引入大大增强了颗粒间的吸引力，有效避免了由非凸结构导致的动力学陷阱，使超晶格的构建过程更加顺畅。研究者还通过调节哑铃形颗粒的凹度（即颗粒头与腰部的宽度比），实现了对颗粒键合方向的精准控制，从而构建出多种低密度、低对称性的超晶格结构。
在具体实施上，团队优化了合成条件，成功制备出凹度适中的哑铃形颗粒，并采用气液界面组装技术实现了高质量的二维Kagome超晶格构建。与传统的3D打印和光刻技术相比，纳米自组装技术在精度和规模上显示出显著优势，从而为功能材料的按需定制开辟了新可能。
此次研究创建的Kagome超晶格是由正六边形和正三角形以共顶点方式周期性排列而成，这种非密堆积的结构不仅展现出p6对称性，还具备独特的面内手性，预示着其在未来光学应用方面的巨大潜力。研究还通过理论计算验证了Kagome超晶格的热力学稳定性，并揭示了曲率介导的排空吸引力使得这种结构得以稳定和持久。
复旦大学的团队在突破这一技术瓶颈的同时，也为后续的相关研究打下了扎实的理论基础。董安钢教授指出，理解不同超晶格的形成机理对于调控其性质、实现特定应用至关重要。他表示，这项成果仅是一个开始，团队将继续探索其他非凸纳米颗粒的构建过程，深入研究在纳米尺度下物质的自组装机制与原理，为未来的材料科学和纳米技术的发展提供新思路。
随着纳米科学研究的不断深入，复旦大学的这一新发现将引领前沿研究的潮流，开启一系列新的应用潜能。在未来，Kagome超晶格有望在光电器件、催化剂、储能材料等领域开创更加广阔的应用前景，为科技进步与社会发展贡献力量。
