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交大化院Nature:手性分子材料研究取得重要进展
日期:2022-02-24 阅读:6537

2022年2月24日,国际顶级学术期刊Nature刊发了崔勇教授团队及合作者的研究成果 “自支撑手性二维单层分子晶体” (Free-standing homochiral 2D monolayers by exfoliation of molecular crystals)。上海交通大学化学化工学院、变革性分子前沿科学中心和金属基复合材料国家重点实验室为第一完成单位, 董金桥副教授为第一作者, 重庆大学刘玲梅教授为共同第一作者,上海交通大学崔勇教授、英国布里斯托大学Anthony P. Davis教授以及沙特国王科技大学Yu Han教授为共同通讯作者。新加坡国立大学Jianwen Jiang教授和中国科学技术大学张群教授分别在分子动力学模拟和超快光谱实验上提供了帮助。

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自2004年石墨烯被报道以来,单层二维(2D)材料因其高纵横比的片状结构,大比例暴露活性位和易加工等特点一直是化学、物理和材料等领域的研究前沿。从结构上看,原子或分子间需要有强的共价键、离子键或配位键才能支撑起稳定的二维结构,而超分子化学中的弱作用力一直被认为不足以支撑形成有序且稳定的2D单层结构。手性材料研究对推动催化科学、分离技术、光电子学和生物医学等领域发展具有重要意义。在超分子层次缺少构筑多级次表面微纳结构的方法和表征手段,严重制约了对材料中手性识别和传递的认识和调控,因此探索单层手性2D分子材料的制备、结构和性能是突破这一科学瓶颈的新途径。

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图1.块状超分子大环晶体的剥离和AFM单层表征

据此,研究人员提出剥离大环分子晶体策略,成功制备了自支撑手性2D单层分子材料,并清晰观察到手性表面的微纳结构。将含丰富超分子作用位点的手性金属-有机大环晶体(JACS, 2008, 130, 4582; JACS, 2017, 139, 1554)超声剥离成具有超高横纵比(2500:1)的单层手性2D纳米片(图1),通过球差校正透射电镜首次观察到结构明确的金属-有机大环超分子结构,并证实了大环之间仅仅依靠弱作用力(CH-π/π-π键),不需要任何支撑体(图2),就能够以单层晶态形式稳定存在(分子纳米片,molecular nanosheet)。通过对糖类等重要分子的对映选择性识别和检测研究,揭示了活性位点、本征大环和微纳结构表面之间显著的协同作用和协同效应。

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图2.单层手性分子纳米片的球差透射电镜表征

该研究将手性化学、超分子化学和2D材料三个前沿领域有机结合起来,证实了自支撑单层2D分子晶体的存在,明确了跨层次/跨尺度的手性表达过程,扩大了现有手性材料和2D材料体系,为更广阔的研究和应用奠定了基础。

该研究得到国家自然科学基金委、科技部和上海科委的资助。

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