華南理工大學(xué)發(fā)現(xiàn)了軟物質(zhì)獨(dú)有的新相態(tài)
華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種由分子五邊形構(gòu)成的超分子膠束，這些膠束能夠自組裝形成一類獨(dú)特的超晶格結(jié)構(gòu)。其中，一種超晶格結(jié)構(gòu)超越了所有已知金屬合金的相態(tài)，因全球首次發(fā)現(xiàn)被命名為
相。相關(guān)成果于2月1日發(fā)表在《自然-材料》。華南理工大學(xué)為論文第一署名單位和通訊單位。
“這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著，軟物質(zhì)組裝作為一種材料構(gòu)建策略，具備超越傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)限制的潛力，讓新的人工材料的性能開發(fā)出現(xiàn)更多可能，為開發(fā)基于非金屬原型的‘軟合金’奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”論文第一作者兼共同通訊作者嚴(yán)笑云博士表示，相的形成源于分子五邊形膠束自然傾向于展現(xiàn)某種非球形特征，這是其他球形體系，甚至是具有不同對稱性的同系列分子都不具備的特性。
據(jù)介紹，研究人員首先通過模塊化合成方法制備了一系列盤狀分子，這些分子擁有精確定義的化學(xué)結(jié)構(gòu)和對稱性。這些分子的中心由具有不同對稱性的核心構(gòu)成，并通過點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在外圍引入了修飾有疏水性柔性鏈的籠形聚倍半硅氧烷。
在實(shí)驗(yàn)中，通過熱退火處理誘導(dǎo)這些盤狀分子組裝成超分子膠束，這些膠束由內(nèi)部的芳環(huán)和外部的飽和烷烴鏈構(gòu)成，并進(jìn)一步自組裝形成周期性的超晶格結(jié)構(gòu)。由于這些膠束在其組裝過程中的作用類似于金屬晶體中的原子，因此被稱為“介觀原子”。
嚴(yán)笑云表示，μ相是1935年在鐵鎢合金中首次發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，在高溫合金領(lǐng)域仍占有重要地位，此次是該相在軟物質(zhì)中的首次發(fā)現(xiàn)。低溫下的結(jié)構(gòu)既通過小角散射也通過電鏡無法與已知結(jié)構(gòu)對應(yīng)。為了解析這一低溫結(jié)構(gòu)，作者捕獲到了相轉(zhuǎn)變的中間態(tài)，并輔以多種模擬方法，最終成功推斷出了低溫相的結(jié)構(gòu)，并將其命名為相。
μ相和相均屬于Frank-Kasper（FK）相，這是一類重要的合金結(jié)構(gòu)。FK晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是僅由四面體空隙構(gòu)成，完全由12、14、15、16配位的四種微環(huán)境在三維空間中排列組合而成。這類結(jié)構(gòu)的緊密堆積使得其在冶金工業(yè)中以高硬度著稱，同時(shí)也常成為軟物質(zhì)及其他材料堆積的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)。
從金屬到肥皂泡，過去百年里，F(xiàn)K相在從原子尺度到宏觀尺度的不同材料中不斷被發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)確認(rèn)了28種。相成為FK家族中的最新成員，也是首次在非金屬體系中發(fā)現(xiàn)的球堆積結(jié)構(gòu)。更重要的是，相填補(bǔ)了FK結(jié)構(gòu)類群中的一個(gè)重要缺口。
由于配位環(huán)境的限制，F(xiàn)K結(jié)構(gòu)的某些特征晶面可以被看作是簡單幾何結(jié)構(gòu)的排列組合。所有FK相均由三類基本FK相結(jié)構(gòu)（A15、C15和Z相）的密鋪形式組成。該研究中新發(fā)現(xiàn)的?相完美地填補(bǔ)了金屬中已知的σ相與pσ相之間的空白。相在金屬結(jié)構(gòu)中的空缺也暗示了自組裝結(jié)構(gòu)在新結(jié)構(gòu)構(gòu)筑上的獨(dú)特維度。
該研究還強(qiáng)有力地證明了非凡的全局效應(yīng)可以通過簡單的分子幾何設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)說明了正因?yàn)橛捎谲浳镔|(zhì)的特性，他們的“介觀原子”比金屬原子具有對體積和形狀不對稱性有更大的容忍度，所以可以預(yù)見會有更多新的FK相結(jié)構(gòu)在不久的將來能夠被人們所發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01796-7
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