突破性成果登《科学》主刊，复旦科研团队实现新纳米颗粒超晶格

根据 IT之家 2 月 28 日的报道，超晶格是一类以纳米颗粒构建的介观晶体材料，广泛应用于能源、催化以及光电器件等多个领域。然而，以前的研究通常集中在球形或凸多面体纳米颗粒，因此难以实现与原子价键相似的高精度组装。

近日，复旦大学化学系的董安钢与李同涛教授，以及高分子科学系的李剑锋教授和新加坡南洋理工大学的倪冉教授，联合在《科学》期刊上发表了最新研究成果。

该研究首次通过调控非凸纳米颗粒的局部曲率，实现了笼目（Kagome）超晶格的可控构建，为纳米颗粒自组装领域开辟了新的研究方向，有望在催化、能源和功能器件等方面带来创新应用。

长期以来，超晶格的前沿研究主要由欧美的科研团队主导，聚焦于球形和凸多面体纳米颗粒。复旦大学的研究团队则创新性地采用非凸（nonconvex）纳米颗粒作为构建单元，通过调控颗粒的局部曲率，模拟“锁与钥”的精确匹配机制，建立了类似原子价键特性的颗粒之间的方向性相互作用。

董安钢教授指出：“我们设计并合成了哑铃形纳米晶，利用其头部与腰部的曲率互补，实现了长程有序的互锁组装。”这种哑铃形颗粒的凹凸互补组装模式仿佛是钥匙与锁之间的完美配合。

关键发现

• 驱动力机制：熵效应引起的排空力（depletion）是促进凹凸互锁组装的关键因素。通过引入排空效应，显著增强了凹凸面间的吸引和识别能力，成功克服了因几何约束导致的非凸颗粒动力学陷阱，从而推动高质量超晶格的可控生成。

• 结构调控：通过调整哑铃形颗粒的凹度（头部与腰部的宽度比），团队在颗粒键合方向上实现了精准控制，构建出多种低密度与低对称性的复杂超晶格结构。

董安钢教授补充道：“颗粒凹凸互锁组装模式的出现，解决了传统纳米颗粒相互作用调控难的问题，为纳米基元的键合方向调整提供了前所未有的精度和灵活性。”

团队展示了一系列新型超晶格结构，彰显非凸纳米颗粒作为构建单元的巨大潜力，其中Kagome晶格为代表性超晶格结构。

Kagome晶格由共顶点的正六边形与正三角形交替排列，形成一种非密堆积的平面拓扑结构，具有p6对称性及独特的平面手性。

研究团队优化了合成条件，成功制备凹度适中的哑铃形颗粒，并利用气液界面组装技术实现高质量二维Kagome超晶格的可控制造。这种纳米自组装技术在精度与规模上优于传统的3D打印和光刻技术，提供了功能材料按需定制的新选择。

该研究通过优化合成条件成功制备了合适凹度的哑铃形颗粒，并依赖气液界面组装技术获得了高质量的二维Kagome超晶格，单晶区域可达数十平方微米，包含超过10万个凹凸互锁的哑铃形颗粒。“这种精度是传统3D打印和光刻技术无法比拟的，再次体现了纳米自组装技术在材料制备方面的优势。”李同涛表示。Kagome超晶格展现出p6对称性，预示着新的光学特性。”

理论计算表明，非密堆积的Kagome超晶格是一种热力学稳定相。新加坡南洋理工大学的倪冉教授团队通过模拟分析证实，其稳定性源于曲率介导的排空吸引力。在此基础上，研究团队简化了模型，构建了哑铃形颗粒超晶格的结构理论预测框架，为深入理解非凸纳米颗粒的自组装行为奠定了重要理论基础。

2021年底，董安钢教授团队首次揭示了Kagome晶格的存在，并认识到超晶格形成中可能蕴含非常独特的组装原理。

董安钢强调：“结构决定性质，而性质影响应用。了解不同超晶格结构的形成机制至关重要，这也是调控超晶格性质和实现其功能化应用的关键。”他透露，团队的研究才刚开始，正在积极探索其他非凸纳米颗粒的基元，并计划深入研究纳米尺度材料的组装机制与原理。

IT之家附上论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu4125

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