【交大，Nature+1】
手性分子材料研究取得重要進展
2022年2月24日，國際頂級學術期刊Nature刊發了崔勇教授團隊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)。上海交通大學化學化工學院、變革性分子前沿科學中心和金屬基複合材料國家重點實驗室爲第一完成單位，董金橋副教授爲第一作者，重慶大學劉玲梅教授爲共同第一作者，上海交通大學崔勇教授、英國布裏斯托大學Anthony P. Davis教授以及沙特國王科技大學Yu Han教授爲共同通訊作者。新加坡國立大學Jianwen Jiang教授和中國科學技術大學張群教授分別在分子動力學模擬和超快光譜實驗上提供了幫助。
自2004年石墨烯被報道以來，單層二維(2D)材料因其高縱橫比的片狀結構，大比例暴露活性位和易加工等特點一直是化學、物理和材料等領域的研究前沿。從結構上看，原子或分子間需要有強的共價鍵、離子鍵或配位鍵才能支撐起穩定的二維結構，而超分子化學中的弱作用力一直被認爲不足以支撐形成有序且穩定的2D單層結構。手性材料研究對推動催化科學、分離技術、光電子學和生物醫學等領域發展具有重要意義。在超分子層次缺少構築多級次表面微納結構的方法和表征手段，嚴重制約了對材料中手性識別和傳遞的認識和調控，因此探索單層手性2D分子材料的制備、結構和性能是突破這一科學瓶頸的新途徑。
圖1.塊狀超分子大環晶體的剝離和AFM單層表征
據此，研究人員提出剝離大環分子晶體策略，成功制備了自支撐手性2D單層分子材料，並清晰觀察到手性表面的微納結構。將含豐富超分子作用位點的手性金屬-有機大環晶體（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構明確的金屬-有機大環超分子結構，並證實了大環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），就能夠以單層晶態形式穩定存在（分子納米片，molecular nanosheet）。通過對糖類等重要分子的對映選擇性識別和檢測研究，揭示了活性位點、本征大環和微納結構表面之間顯著的協同作用和協同效應。
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、超分子化學和2D材料三個前沿領域有機結合起來，證實了自支撐單層2D分子晶體的存在，明確了跨層次/跨尺度的手性表達過程，擴大了現有手性材料和2D材料體系，爲更廣闊的研究和應用奠定了基礎。
該研究得到國家自然科學基金委、科技部和上海科委的資助。
文章鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04407-8
評述鏈接
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00466-z
