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软物质相结构里程碑!华南理工科研团队在软物质本体中首次发现Z

摘要:近日,华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院程正迪院士、黄明俊特聘研究员团队的一项最新研究成果在nature chemistry上发表。该研究院科研团队首次在软物质本体中首次发现z相,与a15相、

近日,华南软材料科学技术研究所院士程正迪和华南理工大学黄明军杰出研究员团队的最新研究成果发表在《自然化学》杂志上。该研究所的研究小组首次在软物质体中发现了Z相。与a15相和c15相一起,它形成了三个基本相结构,用于构建剩余的27个f-k相。一系列设计巧妙的超尺寸两亲物自组装得到多种高度有序的稀有相结构,为构建具有大体积比组装单元的相结构提供了思路和方法。

“就像积木一样,我们开发了一个新的积木模块,它可以建造软材料以前无法建造的结构。”文章第一作者、博士生苏泽斌(Su Zebin)告诉记者,这种方法使得由体积比较大的组装基本单元组成的相结构不再是单组分软物质所不能达到的,随着新结构的发现,可能会给材料带来不同的性质。

人类从未停止探索物质的微观结构。1984年,准晶的发现将结晶学的范围从230个空间群扩大到无限可能。在普通密堆积结构和准晶结构之间,有一种拓扑密堆积结构,称为弗兰克-卡斯帕相(frank-kasper phase),简称f-k相。因为f-k相具有与准晶相似的排列,所以它通常被称为准晶。其中,在合金中发现了27种f-k相。这27种f-k相可以由三种基本的f-k相组成,它们分别是a15相、c15相和z相(图1a)。在软物质的自组装过程中,自从维吉尔·佩切克教授在1997年发现a15相和弗兰克·贝茨教授在2017年发现c15相以来,z相已经成为唯一尚未被发现的重要谜团。Z相需要由具有大体积比差异的各种球形单元组成,并且这些球形单元需要由更大的平均配位数(13.428)组成。在单组分软材料中,同时满足这一条件是一项艰巨的挑战。

图1a,发现的fk相之间的关系。巨型两亲物的化学结构

为了解决这个问题,该团队巧妙地设计了一系列基于苯并菲和笼型倍半硅氧烷(poss)的巨型两亲物(图1b)。与传统聚合物相比,巨型两亲物具有分子量准确、几何结构明确等优点。由于poss的空间位阻较大,这些大分子不能通过苯并菲类之间的π -π堆积形成共同的柱状结构,而是形成球形基元。通过精确调节苯并菲和poss的结合片段,该系列大分子获得了一系列稀有相结构,包括首次在软材料中发现的Z相。

在这一系列巨型两亲物中,样品tp-c0-6bp在150℃退火形成a15相。当退火温度升至170℃时,样品形成一个Z相。小角x光散射技术和透射电子显微镜技术充分证实了从互易空间和正空间形成Z相(图2)。此外,可以通过在170℃退火直接形成Z相。c .处于无序状态,未经历a15相。Z相可以在150℃退火。变成a15相。这些现象充分表明从a15相到Z相的相变是典型的对映体相变。

图2a)z相的小角度x射线数据。b到e是z相不同面的透射电子显微镜图像。

此外,研究人员还研究了a15相和Z相之间的相变机制。从分子水平来看,a15相的每个球形元素都含有四个分子,而Z相的球形元素部分含有三个分子,部分含有四个分子。这满足了Z和球形元件之间更大体积比的要求。在相变过程中,随着退火温度的升高,poss会产生一定程度的热膨胀。同时,苯并菲类之间的π -π堆积效应减弱,两者的联合作用使分子脱离原来的球形元素进行调节(图3a)。从晶格层来看,Z相由(001)方向上的a15相产生,矢量为

透射电镜数据证实了这一机理。其他分子的自组装行为和更多细节在原文中有描述。(中国日报广东新闻站)

图3。a、a15相和z相之间的相变示意图。相变机制。

资料来源:中国日报