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2022年2月24日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature刊發(fā)了上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院崔勇教授團(tuán)隊(duì)及合作者的研究成果 “自支撐手性二維單層分子晶體” (Free-standing homochiral 2D monolayers by exfoliation of molecular crystals)。上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、變革性分子前沿科學(xué)中心和金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位, 董金橋副教授為第一作者, 重慶大學(xué)劉玲梅教授為共同第一作者，上海交通大學(xué)崔勇教授、英國(guó)布里斯托大學(xué)Anthony P. Davis教授以及沙特國(guó)王科技大學(xué)Yu Han教授為共同通訊作者。新加坡國(guó)立大學(xué)Jianwen Jiang教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張群教授分別在分子動(dòng)力學(xué)模擬和超快光譜實(shí)驗(yàn)上提供了幫助。

自2004年石墨烯被報(bào)道以來(lái)，單層二維(2D)材料因其高縱橫比的片狀結(jié)構(gòu)，大比例暴露活性位和易加工等特點(diǎn)一直是化學(xué)、物理和材料等領(lǐng)域的研究前沿。從結(jié)構(gòu)上看，原子或分子間需要有強(qiáng)的共價(jià)鍵、離子鍵或配位鍵才能支撐起穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)，而超分子化學(xué)中的弱作用力一直被認(rèn)為不足以支撐形成有序且穩(wěn)定的2D單層結(jié)構(gòu)。手性材料研究對(duì)推動(dòng)催化科學(xué)、分離技術(shù)、光電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。在超分子層次缺少構(gòu)筑多級(jí)次表面微納結(jié)構(gòu)的方法和表征手段，嚴(yán)重制約了對(duì)材料中手性識(shí)別和傳遞的認(rèn)識(shí)和調(diào)控，因此探索單層手性2D分子材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能是突破這一科學(xué)瓶頸的新途徑。

圖1.塊狀超分子大環(huán)晶體的剝離和AFM單層表征

據(jù)此，研究人員提出剝離大環(huán)分子晶體策略，成功制備了自支撐手性2D單層分子材料，并清晰觀察到手性表面的微納結(jié)構(gòu)。將含豐富超分子作用位點(diǎn)的手性金屬-有機(jī)大環(huán)晶體（JACS, 2008, 130, 4582; JACS, 2017, 139, 1554）超聲剝離成具有超高橫縱比（2500:1）的單層手性2D納米片（圖1），通過球差校正透射電鏡首次觀察到結(jié)構(gòu)明確的金屬-有機(jī)大環(huán)超分子結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了大環(huán)之間僅僅依靠弱作用力（CH-π/π-π鍵），不需要任何支撐體（圖2），就能夠以單層晶態(tài)形式穩(wěn)定存在（分子納米片，molecular nanosheet）。通過對(duì)糖類等重要分子的對(duì)映選擇性識(shí)別和檢測(cè)研究，揭示了活性位點(diǎn)、本征大環(huán)和微納結(jié)構(gòu)表面之間顯著的協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)。

圖2.單層手性分子納米片的球差透射電鏡表征

該研究將手性化學(xué)、超分子化學(xué)和2D材料三個(gè)前沿領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合起來(lái)，證實(shí)了自支撐單層2D分子晶體的存在，明確了跨層次/跨尺度的手性表達(dá)過程，擴(kuò)大了現(xiàn)有手性材料和2D材料體系，為更廣闊的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和上海科委的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04407-8

同行評(píng)述鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-022-00466-z