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手性這一概念廣泛存在于自然界的各個(gè)角落，大到宇宙天體旋轉(zhuǎn)，小到生物體內(nèi)最重要的能源物質(zhì)?糖類?，F(xiàn)代化學(xué)與材料學(xué)中手性也展現(xiàn)出了強(qiáng)大的影響力，活躍于制藥、顯示、傳感等不同領(lǐng)域。在軟材料領(lǐng)域，得益于自組裝這一獨(dú)特的機(jī)制，手性可以同時(shí)出現(xiàn)在多尺度、多層級(jí)的復(fù)雜自組裝結(jié)構(gòu)當(dāng)中。隨著合成與制備技術(shù)的成熟，對(duì)于納米尺度材料，從分子層次了解手性物質(zhì)結(jié)構(gòu)是研究手性內(nèi)在物理特性的必要需求，也是對(duì)手性材料性能進(jìn)一步優(yōu)化的重要手段。目前針對(duì)材料手性的表征方法，主要依賴于電子顯微鏡或圓二色譜，遺憾的是，這類技術(shù)往往只能提供形貌信息以及定性的判斷手性的存在與否，難以提供分子層次的結(jié)構(gòu)信息。此外，限于樣品制備條件，電子顯微鏡進(jìn)行原位測(cè)試也存在很多潛在的難點(diǎn)。

針對(duì)這一科學(xué)問題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院、陜西省軟物質(zhì)國(guó)際聯(lián)合研究中心的研究人員，與美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)等研究人員合作，利用共振軟X射線散射(RSoXS)研究了不同形狀分子(棒狀，扇形等)形成雙螺旋二十四面體(double gyroid)結(jié)構(gòu)的自組裝行為，從而首次成功地從分子層次解析了該結(jié)構(gòu)。Double gyroid作為一種廣泛存在于自然界以及各類材料當(dāng)中的立方結(jié)構(gòu)，是由兩套具有相反手性的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)相互嵌套而成。得益于其網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，這類結(jié)構(gòu)在質(zhì)子導(dǎo)體以及電池等領(lǐng)域都有相當(dāng)大的潛在應(yīng)用價(jià)值，而理解此復(fù)雜結(jié)構(gòu)中分子排布的方式是其邁向應(yīng)用的重要一步。在共振條件下，線偏振X射線可以識(shí)別分子內(nèi)或是分子間的極性，而極性的周期性變化也可以作為RSoXS的信號(hào)來(lái)源，提供分子層次上的結(jié)構(gòu)信息。借助于這種特性以及原位X射線能量掃描，研究人員成功地發(fā)現(xiàn)了本征系統(tǒng)消光的(110)與(200)衍射峰，這類衍射峰在晶體學(xué)中被稱為forbidden peak。為了深入理解forbidden peak與分子排布之間的關(guān)系，揭示其隱含的結(jié)構(gòu)信息，研究人員通過簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合散射理論，對(duì)RSoXS散射圖譜進(jìn)行模擬計(jì)算，所得的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。這一發(fā)現(xiàn)首次從分子層次的角度解析了double gyroid結(jié)構(gòu)，并且證明了RSoXS在分子層次上對(duì)手性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大解析能力，為解析和表征其他手性結(jié)構(gòu)提供了新的思路。

近日，該研究成果以“通過共振軟X射線散射解析雙螺旋二十四面體型網(wǎng)絡(luò)中分子排布(Molecular Packing in Double Gyroid Cubic Phases Revealed via Resonant Soft X-ray Scattering)”為題發(fā)表在國(guó)際物理領(lǐng)域旗艦期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett.)上。該論文第一作者為西安交大材料學(xué)院博士生曹瑜，通訊作者是西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉峰教授，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室朱陳輝研究員以及斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)及Nata?a Vaupoti?教授，西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本文第一單位。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)際合作項(xiàng)目以及國(guó)家留學(xué)基金委等共同資助。

劉峰教授領(lǐng)導(dǎo)的功能軟材料團(tuán)隊(duì)成立于2013年，研究方向涉及軟材料的基礎(chǔ)理論、制備合成、物理與化學(xué)特性。本工作是團(tuán)隊(duì)今年在化學(xué)類旗艦期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2725-2729; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10143-10150)、高分子類旗艦期刊Macromolecules(Macromolecules 2020, 53, 4193-4203)上發(fā)表工作成果之后，又在物理類旗艦雜志上發(fā)表重要研究成果。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.027801