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软物质相结构里程碑!华南理工科研团队在软物

近日,华南理工大年夜学华南软物质科学与技巧高等钻研院程正迪院士、黄明俊特聘钻研员团队的一项最新钻研成果在Nature Chemistry上颁发。该钻研院科研团队首次在软物质本体中首次发明Z相,与A15相、C15相合营组成了构建另外27种F-K相的三种基真相布局。一系列具有奇妙设计的巨型外形两亲体自组装获得了多种高度有序的罕见相布局,并为构建具有较大年夜体积比组装基元的相布局通供给了思路与措施。

“就像是垒积木,我们开拓了一种新的积木模块,可以搭建出曩昔软物质搭不出来的布局。”该文章第一作者、在读博士生苏泽彬奉告记者,该措施使得那些由较大年夜体积比组装基元构成的相布局在单组份软物质中不再遥弗成及,而且跟着新布局的发明,可能会给材料带来不一样的机能。

人类对付物质的微不雅布局的探索从未竣事。1984年,准晶的发明将晶体学的范畴由230个空间群拓展到了无穷多的可能。介于常见密聚积布局与准晶布局之间,有一类具有拓扑密聚积的布局被称之为Frank-Kasper相,简称F-K相。因为F-K相具有与准晶布局相似的排列要领,平日被称之为准晶的类似布局。此中已有27种F-K相在合金中被发明,这27种F-K相可以由三种基础的F-K相构成,它们分手是A15相,C15相和Z相 (图1A)。在软物质的本体自组装中,自1997年Virgil Percec教授发明A15相,2017年Frank S. Bates教授发清楚明了C15相后,Z相成了仅剩的未被发明的紧张拼图。Z相必要由体积比差异较大年夜的多种球状基元构成,同时这些球状基元必要由较大年夜的匀称配位数(13.428)。在单组分软物质中,同时满意这个前提是个艰难的寻衅。

图1.A,已发明的FK相之间的关系。B,巨型外形两亲体化学布局

针对这一难题,该团队奇妙地设计了一系列基于苯并菲与笼型倍半硅氧烷(POSS)的巨型外形两亲体 (图1B)。比拟于传统高分子,该巨型外形两亲体具有正确的分子量、确定的几何布局等优点。因为POSS具有较大年夜的空间位阻,该类巨型分子无法经由过程苯并菲之间的π-π堆叠形成常见的柱状布局,而是形成了球状基元。经由过程正确调控苯并菲与POSS连接片段,该系列巨型分子获得了一系列罕见的相布局,此中包括了在软物质中首次发明的Z相。

在该系列巨型外形两亲体中,样品Tp-C0-6BP在150℃退火,形成了A15相;将退火温度前进到170℃,该样品则形成了Z相。小角X射线散射技巧与透射电子显微镜技巧从倒易空间与正空间中充分的证明了Z相的形成 (图2)。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。这些征象充分注解A15相到Z相的相变是范例的Enantiotropic相变。

图2. A)Z相的小角X射线数据。B至E为Z相不合面的透射电镜图

更进一步,钻研者钻研了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。这满意了Z相对付球状基元之间较大年夜的体积比的要求。在相变历程中,跟着退火温度的升高,POSS孕育发生必然程度的热膨胀,与此同时苯并菲之间的π-π堆叠感化在减弱,两者的配相助用使得分子可以逃逸出原有的球状基元进行调剂 (图3A)。从晶格层面,Z相是由A15相在(001)偏向孕育发生了矢量为

的位移所得(图3B),透射电子显微镜数据佐证了该机理。另外分子的自组装行径与更多细节在原文中有响应的描述。(中国日报广东记者站)

图3.A,A15相与Z相之间的相变示意图。B,相变机理。

滥觞:中国日报网

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