科学家人工实现纳米螺旋-解旋-再螺旋

文章来源： 合肥物质科学研究院

近期，南京大学陆轻铱教授和高峰教授课题组、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心、中国科学技术大学，依托稳态强磁场实验装置（SHMFF），发现了晶体结构中微妙的竞争和协作关系，在螺旋和解旋产物晶体结构之间建立了微妙的能量平衡，实现了纳米线与纳米螺旋之间的多重可逆变化（图1）。相关研究成果在线发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

纳米螺旋的可逆变化是自然界、生命过程中精致和重要的现象。然而，纳米材料扭转形成螺旋晶体较为困难。目前已报道的纳米螺旋生成的驱动力通常不可逆，反向过程（解旋）难以实现，纳米螺旋经解旋后再重新螺旋更加困难。因此，化学反应的两个稳定晶态产物之间的多重可逆扭转变化是超低概率事件，需要在它们之间建立微妙的能量平衡。长期以来，科学家认为难以获得纳米螺旋的可逆变化。

本研究中，电子顺磁共振（ESR，包括高场ESR）（图2）证明纳米螺旋中Co（II）配位环境的变化以及对称性的降低。固体核磁共振谱和太赫兹谱表明π-π相互作用是螺旋生长中的关键作用力。科研人员结合理论计算和各种验证实验，推测出螺旋机制来源于缩合反应和π-π堆积过程之间的竞争作用（图3）。这种独特的竞争生长机制以及生长方式的微观可调性，是构建细致可调的能量平衡体系、实现螺旋可逆变化的关键。该工作针对性地设计改变分子间作用力，精细调控不同方向生长速度，使整体结构保持不变，能量平衡方向定向改变，实现了纳米结构的螺旋、解旋和再螺旋。

该研究提出了晶体可逆变化设计的新概念。这种基于调控分子间相互作用促成晶体多重可逆转化的精细调变技术，为晶体学带来了全新视角，丰富了晶体学理论，使多重复杂可逆过程的实现成为可能。

研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。