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超分子手性的自發(fā)產(chǎn)生與放大機理是當前手性研究的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，對這一問(wèn)題的探索將推動(dòng)各類(lèi)手性器件的構筑，深化對生命體起源的理解，拓展超分子體系的研究前沿。在軟材料領(lǐng)域，過(guò)往針對手性自發(fā)產(chǎn)生機制的研究工作主要聚焦于簡(jiǎn)單螺旋結構中，對復雜三維體系中超分子手性自發(fā)產(chǎn)生機理的研究尚屬空白，也是手性功能軟材料構筑的重要前提。遺憾的是，研究手段方面的匱乏以及三維體系本身的復雜性成為阻礙超分子手性研究的主要難點(diǎn)問(wèn)題。
針對超分子手性自發(fā)產(chǎn)生機制這一科學(xué)問(wèn)題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院、陜西省軟物質(zhì)國際聯(lián)合研究中心的研究人員，與德國哈勒維滕貝爾格馬丁路德大學(xué)研究人員合作，利用共振軟X射線(xiàn)散射(RSoXS)研究了非手性多爪型分子的自組裝行為，從分子層面解析了三維體系中超分子手性的自發(fā)形成機制。由于非手性多爪型分子本身的不對稱(chēng)性，其自組裝結構隨溫度變化產(chǎn)生超分子手性，這一體系為理解超分子手性的自發(fā)產(chǎn)生提供了一個(gè)絕佳的平臺。
RSoXS是一種利用線(xiàn)偏振X射線(xiàn)在元素吸收邊附近進(jìn)行散射的實(shí)驗方法，其物理過(guò)程包含散射與吸收兩部分，散射為該實(shí)驗方法提供識別周期性的能力，吸收過(guò)程使得電子躍遷至外層非球形軌道中，使得不同方向的軌道與線(xiàn)偏振X射線(xiàn)的作用方式不同，從而賦予了RSoXS分辨電子軌道/價(jià)鍵方向周期性的能力。借助于這種特性以及原位溫度敏感性分析，研究人員成功地表征了手性四方結構(Tetbi)，并通過(guò)簡(jiǎn)化的結構模型，結合散射理論，對手性四方結構中的分子排布方式進(jìn)行了解析。揭示了從非手性立方結構(Cubbi)到手性四方結構(Tetbi)的手性產(chǎn)生過(guò)程。隨著(zhù)溫度的降低，一條網(wǎng)絡(luò )中的分子保持螺旋排布，而另一條網(wǎng)絡(luò )中的分子逐漸隨機，從而自發(fā)產(chǎn)生了超分子手性。這一發(fā)現首次解析了三維體系中超分子手性的自發(fā)產(chǎn)生過(guò)程，探究了分子螺旋間的相互作用對超分子手性的影響，拓寬了超分子手性體系的表征思路。
近日，該研究成果以《超分子內消旋新模式：左右旋共存的鏡面對稱(chēng)性破缺產(chǎn)生四方網(wǎng)絡(luò )液晶結構》(Supramolecular meso-Trick: Ambidextrous Mirror Symmetry Breaking in a Liquid Crystalline Network with Tetragonal Symmetry)為題發(fā)表在國際化學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì )會(huì )刊》(J. Am. Chem. Soc)上。論文第一作者為西安交大材料學(xué)院助理教授曹瑜，通訊作者是西安交大金屬材料強度國家重點(diǎn)實(shí)驗室劉峰教授以及德國哈勒維滕貝爾格馬丁路德大學(xué)Carsten Tschierske教授，陜西省軟物質(zhì)國際聯(lián)合研究中心與西安交大金屬材料強度國家重點(diǎn)實(shí)驗室為本文第一單位。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、國際合作項目以及國家留學(xué)基金委等共同資助。
