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仿生合成特殊复杂无机结构及自组织机理研究获得重要进展

时间：2005-01-13 01:56:00 来源：合肥微尺度物质科学国家实验室|http://www.hfnl.ustc.edu.cn
我室纳米材料与化学研究部俞书宏教授所领导的模拟生物矿化与化学实验室在人工设计聚合物模板控制无机材料合成方面取得了突破性进展。最新一期的英国著名Nature系列期刊《Nature Materials》（2005, 4, 51-55）刊登了由该研究组完成的，题为《外消旋嵌段聚合物诱导碳酸钡纳米晶构筑排列的螺旋结构“Tectonic arrangement of BaCO3 nanocrystals into helices induced by a racemic block copolymer”》的研究论文。该研究组发现于常温常压下运用外消旋聚合物分子模板(图1)可有效诱导具有手性结构的超长螺旋状纳米线的形成(图2)。以往螺旋结构的形成是通过大分子和有机构筑单元的自组织而形成的，而俞书宏教授等的研究结果表明不受固定排列约束而通过纳米颗粒方向性构筑也可能形成自发螺旋结构，并提出了一种新的螺旋结构形成机理(图3), 认为因非均匀性聚合物的吸附而导致中尺度上的自发式对称性的破坏，由此纳米结构单元的相互作用而形成了手性结构成份。该研究结果受到Nature Materials审稿人的高度评价：“作者首次报导由无机纳米结构单元构筑成功的螺旋结构，该工作非常新颖并对材料界具有极大的兴趣，是在人工合成体系中发现的分子构筑学领域的最新进展。”这一突破性进展为进一步探索合成具有复杂特殊无机结构材料及手性结构的途径提供了依据与理论基础。据悉，这是我国大陆科学家在该刊发表的第三篇高质量论文。
 
图1. 外消旋聚合物分子模板
 
图2. 超长螺旋状纳米线的形成
 
图3. 螺旋结构形成机理
此外，该研究组还运用简单的低温溶液反应成功获得具有等级结构的钨铅矿微晶,发现获得的带有螺旋状的棒形晶体是通过多面体纳米晶体的取向搭接而成的,并成功运用高分辨电镜观察了其取向搭接形成过程,通过控制表面活性剂的用量、溶液的pH值等条件,获得了复杂形貌和结构高度对称性的钨铅矿微晶，并发现所获得的微晶的光学性质与其微结构有着密切的关系。相关论文发表于著名国际期刊德国应用化学上（Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4745-4750）。该研究成果对进一步获得具有等级结构无机晶体的控制合成及发现新的性质等方面具有重要的意义。其结果受到审稿人的好评：“这是一篇高质量的论文,作者采用一个不寻常的矿物为研究对象,展示了有趣的有关对无机晶体形貌控制的过程。”
这些研究结果表明，我国仿生合成特殊复杂无机结构及自组织机理研究已经达到国际领先水平，处于这一领域的前列。
该项研究得到中国科学院“引进国外杰出人才”计划、国家杰出青年基金、国家基金委优秀创新群体、国家自然科学基金等的大力支持。该课题组一直致力于无机晶体和超结构的人工可控制合成及其性能的研究,探索实现于自然的条件下人工设计晶体结构与形状的构想。模拟生物矿化与仿生合成研究融化学、材料科学、生命科学、凝聚态物理等学科于一体, 具有广阔的应用前景和深远的意义。

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