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华南理工大学在软物质本体中首次发现Z相

发布时间:2019-10-04 浏览次数:

  华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院教授程正迪、特聘研究员黄明俊团队在软物质本体中首次发现Z相,与A15相、C15相共同组成了构建其余27种F-K相的三种基本相结构。相关研究9月24日发表在《自然化学》(Nature Chemistry)。

  人类对于物质的微观结构的探索从未停止。在软物质的本体自组装中,自1997年Virgil Percec教授发现A15相,2017年Frank S. Bates教授发现了C15相后,Z相成了仅剩的未被发现的重要拼图。Z相需要由体积比差异较大的多种球状基元构成,同时这些球状基元需要由较大的平均配位数(13.428)。在单组分软物质中,同时满足这个条件是个艰巨的挑战。

  针对这一难题,研究人员巧妙地设计了一系列基于苯并菲与笼型倍半硅氧烷(POSS)的巨型形状两亲体。相比于传统高分子,该巨型形状两亲体具有精确的分子量、确定的几何结构等优点。由于POSS具有较大的空间位阻,该类巨型分子无法通过苯并菲之间的-堆叠形成常见的柱状结构,而是形成了球状基元。通过精确调控苯并菲与POSS连接片段,该系列巨型分子得到了一系列稀有的相结构,其中包括了在软物质中首次发现的Z相。

  在该系列巨型形状两亲体中,样品Tp-C0-6BP在150℃退火,形成了A15相;将退火温度提高到170℃,该样品则形成了Z相。小角X射线散射技术与透射电子显微镜技术从倒易空间与正空间中充分证实了Z相的形成。此外,Z相可以直接由无序状态在170℃退火直接形成,无需经历A15相。Z相可以在150℃中退火相变为A15相。这些现象充分表明A15相到Z相的相变是典型的Enantiotropic相变。

  研究人员进一步研究了A15相与Z相之间的相变机理。从分子层面,A15相中,每个球状基元含有四个分子,而Z相中的球状基基元则部分含有三个分子,部分含有四个分子。这满足了Z相对于球状基元之间较大的体积比的要求。在相变过程中,随着退火温度的升高,POSS产生一定程度的热膨胀,与此同时苯并菲之间的-堆叠作用在减弱,两者的共同作用使得分子可以逃逸出原有的球状基元进行调整。从晶格层面,Z相是由A15相在(001)方向产生了矢量位移所得,透射电子显微镜数据佐证了该机理。

  “一系列具有巧妙设计的巨型形状两亲体自组装得到了多种高度有序的稀有相结构。”该论文第一作者、在读博士生苏泽彬表示,就像是垒积木,他们开发了一种新的积木模块,可以搭建出以前软物质搭不出来的结构。

  在《自然化学》同期发表专门的“News and views”评述中,Grason等评论认为,该工作揭示了通过超分子球组装得到F-K相的所有三个基石结构的能力,也暗示了合理设计分子性质调节F-K结构策略的可能性。该方法使得那些由较大体积比组装基元构成的相结构在单组分软物质中不再遥不可及,开奖记录索加瓦雷此说法是迄今该国准备与台。而且随着新结构的发现,可能会给材料带来不一样的性能。