多层级结构材料实验室--文韬课题组
Laboratory of Hierarchical Materials
多层级结构材料

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  本实验致力于设计、合成具有多层级结构的材料,通过化学及物理的手段对材料的微观结构进行有针对性的调控,在深入理解基本科学问题的同时,发展具有优异性能的先进材料。我们的主要研究方向包括以下三个方面:


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“手性 (chirality)”是自然界的基本属性之一。从氨基酸、DNA到各种生命体,乃至行星、星系等,这些事物在其存在形态和运动方式上都具有手性的特征。在对客观世界的探索中,手性是一个永恒的课题。

以空间尺度作为依据,我们可以将手性划分为几个层级 [1]。第一级为“分子手性 (molecular chirality)”,一般源自于分子中的不对称原子或若干分子片段的不对称连接;第二级为“构象手性 (conformational chirality)”,描述了分子链的螺旋构象;第三级可称为“结构手性 (structural chirality)”,指介观或者宏观物体的不对称性。不同尺度的手性结构共同构成了“多层级手性 (hierarchical chirality)”体系;不同层级之间手性信息的转移与放大过程称为“手性传递 (chirality transfer)”。


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多层级手性结构及手性传递


借助手性信息的可控传递与放大是设计、制备结构手性结构最为理想的策略[2, 3]。一方面,多层级手性传递,特别是在软物质中的传递,可以帮助我们更好地理解手性的本质和规律,揭示生命的手性本源;另一方面,在研究手性信息传递的同时,我们希望实现“手性功能”的传递和放大,最终得到具有应用前景的手性功能材料。

目前,我们的研究集中在:

1)合成新型的主、侧链型手性高分子;

2)手性嵌段共聚物自组装形成的非对称有序纳米结构;

3)手性高分子在手性发光和手性分离中的应用;



[1] T. Wen, H.-F. Wang, M.-C.Li, R.-M. Ho. Acc. Chem. Res., 2017, 50, 1011-1021.

[2] M. Liu, L. Zhang, T. Wang.Chem. Rev., 2015, 115, 7304-7397.

[3] E. Yashima, N. Ousaka, D.Taura, K. Shimomura, T. Ikai, K. Maeda. Chem. Rev., 2016, 116, 13752-13990.


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杂化材料兼具有机与无机材料的优点,在能源、催化、光学、信息等领域具有重要的用途。人类使用杂化材料已有逾千年的历史。八世纪时,古玛雅人从天然材料出发,得到了一种蓝色的颜料用于绘制壁画。这种被称为“玛雅蓝 (Maya blue)”的颜料,历经千年依然可以保持非常艳丽的颜色。[4]玛雅蓝”的美丽色泽和稳定性来自于其中有机组分和无机组分在分子层级的组合。


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玛雅壁画中使用的“玛雅蓝”是一种典型的有机-无机杂化颜料。


以有机、无机组分之间相互作用力的强弱,可以将杂化材料分为两类:第一类,有机-无机组分之间通过较弱的相互作用(如氢键、范德华力等)结合;第二类,有机-无机组分之间以强相互作用(如共价键、配位键等)进行结合。[5] 在杂化材料的制备中,涉及到多种可调控变量,包括有机、无机组分的化学结构、相对含量、以及加工方法等。这些变量的排列组合为杂化材料的开发提供了极其丰富的可能性。同时,杂化材料往往具有制备简单,成本低廉的优势。例如,通过“溶胶-凝胶法 (sol-gel)”与嵌段共聚物“模板法 (templating method)”的结合,可以简便地制备微观长程有序的杂化材料。[6]

我们的研究兴趣在于通过化学及物理的手段,融合软物质硬材料各自的优势,得到具有优异性能的多层级结构杂化材料,并着力发展其在能源和纳米图案化中的应用。


[4] C. Sanchez, B. Julián, P.Belleville, M. Popall. J Mater. Chem., 2005, 15, 3559-3592.

[5] C. Sanchez, P. Belleville,M. Popall, L. Nicole. Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 696-753.

[6] M. Faustini, L. Nicole, E.RuizHitzky, C. Sanchez. Adv. Funct. Mater.,2018, 1704158.


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《论语》有云:“工欲善其事,必先利其器”。先进的分析表征手段是开展深入研究必备条件。透射电子显微镜 (transmission electron microscope, TEM) 是探索微观世界的有力工具。然而,普通透射电镜照片是三维结构在二维平面上的投影,会损失样品垂直方向的信息。针对这一问题,人们发展了“三维重构 (3D reconstruction)”技术。目前有三种实现三维重构的方法:单颗粒分析 (single particleanalysis, SPA)、电子晶体学(electron crystallography, EC)以及电子断层扫描(electrontomography, ET)。前两种方法对于样品具有特殊的要求,主要应用于生物体系;而ET则非常适合于软物质体系的研究。

电子断层扫描基于“中央截面定理”,通过对一系列不同投影方向的二维TEM照片处理和拟合,还原出原始的三维结构。[7]特别地,三维重构技术对于多层级手性结构的研究具有重要的意义。举例而言,左手螺旋和右手螺旋在二维平面上的投影是相同的,无法通过普通的透射电子显微镜照片判断其绝对手性。而通过三维重构,可以直观地判定螺旋结构的手性。[8]


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左手和右手螺旋具有相同的二维投影轮廓。


此外,结合高角度环形暗场成像 (high angle annular dark field, HAADF) 和能量损失谱 (electronenergy loss spectrometry, EELS),电子断层扫描技术可以用于多层级杂化材料的微观结构的分析,进而建立起材料的构效关系。

依托于华南软物质科学与技术高等研究院的大型仪器平台,我们将着力发展先进电子显微镜技术在软物质材料研究中的应用。


[7] H. Jinnai, X. Jiang. Curr.Opin. Solid St. M., 2013, 17, 135-142.

[8] R.-M. Ho, Y.-W. Chiang,C.-K. Chen, H.-W. Wang, H. Hasegawa, S. Akasaka, E.L. Thomas, C. Burger, B.S.Hsiao. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 18533-18542.