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膠體組裝成手性超結(jié)構(gòu)，通常是通過模板或光刻圖案化方法完成的，這些方法只適用于具有特定成分和形態(tài)的材料，尺寸范圍很窄。

在此，來自美國加州大學(xué)河濱分校的殷亞東等研究者通過實(shí)驗(yàn)證明，手性超結(jié)構(gòu)可以通過磁性組裝，迅速在所有尺度上形成任何化學(xué)成分的材料，包括分子、納米和微觀結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“A magnetic assembly approach to chiral superstructures”于2023年06月29日發(fā)表在Science上。

膠體顆粒的超結(jié)構(gòu)，可以具有手性對(duì)稱性。手性組裝的驅(qū)動(dòng)力在于顆?；蚪Y(jié)構(gòu)本身具有手性或通過吸附表面分子和模板來創(chuàng)建手性(通常是螺旋結(jié)構(gòu))或通過光刻方法實(shí)現(xiàn)手性。

特別是由等離子體納米粒子制成的手性超結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，例如在環(huán)偏振光激發(fā)下具有圓形偏振光譜(CD),并具有開發(fā)電和光傳感器和設(shè)備的可能性。模板組裝和光刻已被用于通過改變CD譜來感知外部刺激的手性超結(jié)構(gòu)。

例如，DNA模板的組裝可以將DNA模板的螺旋構(gòu)型轉(zhuǎn)移到許多納米結(jié)構(gòu)中，并可用于監(jiān)測溫度和化學(xué)結(jié)合的變化。

控制這些手性結(jié)構(gòu)的集體取向，無論是在溶液中還是在固體基質(zhì)中，對(duì)于優(yōu)化奇偶性能仍具有挑戰(zhàn)性。此外，現(xiàn)有的策略，如模板組裝和手性超晶格形成，僅適用于材料具有狹窄長度尺度和特定化學(xué)成分或形狀的情況。

設(shè)計(jì)微型奇偶器件并理解涉及不同物理原理的光-物質(zhì)相互作用，將受益于一種用于組裝不同尺寸、形狀和化學(xué)成分的手性材料的通用方法，以形成具有可調(diào)奇偶響應(yīng)的手性超結(jié)構(gòu)。

在這里，研究者報(bào)道了不同成分和長度尺度的材料，從小分子到納米和微觀結(jié)構(gòu)，快速和可逆地組裝成手性結(jié)構(gòu)，并通過使用永磁體的磁場主動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的手性，集體取向和手性。研究者的分析模型證明了在磁體的梯度磁場中存在四極場手性。

在這樣的磁場中組裝納米棒導(dǎo)致手性超結(jié)構(gòu)的形成，其手性和手性性質(zhì)由磁體的位置和取向決定。結(jié)構(gòu)手性可以通過摻雜或涂覆到宿主磁性構(gòu)件上轉(zhuǎn)移到有機(jī)分子和無機(jī)化合物上，展示了手性超結(jié)構(gòu)的一般方法。

圖1. 永磁體的四極場手性

圖2. Fe₃O₄/Au雜化納米棒的磁性組裝成手性超結(jié)構(gòu)

圖3. 組裝上部結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧CD光譜

圖4. 組裝上層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧CD光譜和旋光色散

圖5. 非手性分子的全尺度磁組裝成手性超結(jié)構(gòu)

綜上所述，立方體永久磁鐵局部場向量的一致旋轉(zhuǎn)形成了四象限中的偶極子場奇偶性，在四個(gè)象限中交替使用左手和右手磁場。這種奇偶磁場誘導(dǎo)將磁納米棒組裝成奇偶超結(jié)構(gòu)，其手性和奇偶性由磁場的局部特征決定。

這種策略允許從各種化學(xué)化合物(等離子體材料、聚合物、氧化物、金屬、半導(dǎo)體、熒光納米結(jié)構(gòu)和分子片段)的納米結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)程、可逆和瞬時(shí)地組裝成奇偶超結(jié)構(gòu)，并在其廣泛的光譜和環(huán)偏振發(fā)光范圍內(nèi)有能力對(duì)它們的CD響應(yīng)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)諧，只要它們能夠正確地綁定到磁納米棒上。

通過在聚合過程中施加外部磁場，可以將這些化學(xué)化合物的奇偶性固定在所有尺度上，這可以通過將形成的超結(jié)構(gòu)嵌入聚合物基底來實(shí)現(xiàn)。

這種簡單策略使奇偶超結(jié)構(gòu)在無外接磁場的情況下不揮發(fā)，并為便攜式奇偶器件提供了高度的可用性。

作者簡介

殷亞東(Yadong Yin)，教授，材料科學(xué)家，江蘇人，美國加州大學(xué)河濱分校(University of California，Riverside) 終身教授，同時(shí)擔(dān)任西安交通大學(xué)、北京化工大學(xué)等學(xué)校的客座教授。

1992年從江蘇常州江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)(原武進(jìn)市前黃中學(xué))考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)9212班(即92級(jí)應(yīng)用化學(xué)系)學(xué)習(xí)。1996年于中國科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1998年于中國科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2002年于美國華盛頓大學(xué)獲博士學(xué)位(導(dǎo)師為夏幼南教授)，之后在美國加州大學(xué)伯克利分校與勞倫茲伯克利國家實(shí)驗(yàn)室工作(導(dǎo)師為A. Paul Alivisatos院士)。2006年起任美國加州大學(xué)河濱分校助理教授，2011年晉升為副教授。

殷亞東教授的研究領(lǐng)域包括材料及界面化學(xué)，以發(fā)展新材料和利用新能源為主題，以化學(xué)合成、組裝和功能化為主要手段，同時(shí)跨越材料、物理、生物及工程等多個(gè)學(xué)科。以納米技術(shù)為特色，致力于研究材料的新組成、新結(jié)構(gòu)、新特性和新應(yīng)用。

殷亞東教授在新型納米材料的合成、表征、功能化及其在光子晶體印刷術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用等方面取得了杰出的成就，在這些領(lǐng)域產(chǎn)生了少有的巨大的國際影響力。

2011年Thomson Reuters公布了全球頂尖百名化學(xué)家(Top 100 Chemists, 2000-2010)和全球頂尖百名材料學(xué)家(Top 100 Materials Scientists,，2000-2010)名單，殷教授在化學(xué)領(lǐng)域的世界排名是第55位、在材料科學(xué)領(lǐng)域的世界排名是第2位。

近年來，殷教授發(fā)表論文近兩百篇，其中60余篇發(fā)表在Science，Nature及Nature子刊、JACS、Angewandte Chemie International Edition、Nano Letters、Advanced Materials等國際著名刊物上。共取得美國專利十多項(xiàng)，主持科研項(xiàng)目多項(xiàng)。

他在教書育人方面也取得了豐碩的成果，出自他門下的教授已有葛建平(華東師范大學(xué)教授)?、張鐵銳(中科院理化所百人)?和高傳博(西安交大教授)等，所指導(dǎo)的學(xué)生也獲得了諸多榮譽(yù)，包括”國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金“、”美國材料協(xié)會(huì)(MRS)杰出研究生獎(jiǎng)”和”國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)青年化學(xué)家獎(jiǎng)”等。

彩蛋：細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自6月28日以來，中科大已有三位校友在Nature和Science上發(fā)文，他們分別是：6月28日的汪淏田“”，6月29日同期Science的中國科學(xué)院物理研究所的許楊“”，再加上殷亞東教授這篇Science。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)這兩天，不可謂風(fēng)光一時(shí)無兩。

文獻(xiàn)信息

Zhiwei Li et al., A magnetic assembly approach to chiral superstructures. Science 380, 1384-1390(2023). DOI:10.1126/science.adg2657

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg2657

https://baike.so.com/doc/7113381-7336436.html

http://www.faculty.ucr.edu/~yadongy/

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