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加州大学河滨分校殷亚东教授团队 Science:手性超结构的磁性组装方法

时间:2023-07-01 来源: 浏览:

加州大学河滨分校殷亚东教授团队 Science:手性超结构的磁性组装方法

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胶体粒子的上层结构可以手性对称地组装,手性组装的驱动力是颗粒或结构本质上是手性的,或者通过吸附的表面分子和产生手性的模板(通常是螺旋结构)或通过光刻方法呈现手性。 手性超结构,特别是由等离子体纳米颗粒制成的超结构,具有独特的光学特性,例如圆偏振光激发下的圆二色性(CD),并且具有开发电学和光学传感器和设备的潜力。模板组装和光刻已被用来创建手性超结构,用于通过 CD 光谱的变化来感知外部刺激。例如,DNA 模板组装可以将 DNA 模板的螺旋结构转移到许多纳米结构上,并用于监测温度和化学结合的变化。控制这些手性结构在溶液或固体基质中的集体取向对于优化手性光学性能仍然具有挑战性。此外, 现有的策略 (例如模板组装和手性超晶格形成) 仅适用于窄长度尺度和特定化学成分或形状的材料 。设计微型手性光学器件并理解涉及不同物理原理的光与物质相互作用,将受益于 将不同尺寸、形状和化学成分的非手性材料组装成具有主动可调手性光学响应 的手性超结构的通用方法。

美国加州大学河滨分校 殷亚东教授团队 通过实验证明, 手性超结构 可以 通过磁性组装,迅速在所有尺度上 形成 任何化学成分的材料 包括分子 纳米和微观结构 。相关论文以题为“ A magnetic assembly approach to chiral superstructures ”于2023年06月29日发表在  Science 上。

Science 编辑 Phil Szuromi 对这篇文章的评述: 将粒子组装成手性超结构通常是通过结合粒子的手性模板(例如 DNA)进行引导,或者使用光刻方法。作者研究表明,将永磁体产生的手性四极场应用于分散的磁性纳米颗粒,可以创建采用场手性的远程手性超结构。场的可调性能够控制上部结构的旋向性、手性和螺距。由金纳米棒和磁铁矿组成的混合颗粒显示出可调的圆二色性和光学旋转色散信号。

作者利用不同成分和尺度的材料(从小分子到纳米和微米结构)的快速可逆组装成手性结构,以及通过使用磁性来主动调节结构旋向性、集体取向和手性光学性质。  本文的分析模型证明了磁体梯度磁场中存在四极场手性。在这样的磁场中组装纳米棒导致手性超结构的形成,其手性和手性光学特性由磁体位置和方向决定。通过掺杂或涂覆到主体磁性构件上,可以将结构手性转移到有机分子和无机化合物,这展示了手性超结构的通用方法

图1. 永磁体的四极场手性
图2. Fe 3 O 4 /Au杂化纳米棒的磁性组装成手性超结构
图3. 组装上部结构的可调谐CD光谱
图4. 组装上层结构的可调谐CD光谱和旋光色散
图5. 非手性分子的全尺度磁组装成手性超结构
综上,立方体永久磁铁局部场向量的一致旋转形成了四象限中的偶极子场奇偶性,在四个象限中交替使用左手和右手磁场。这种奇偶磁场诱导将磁纳米棒组装成奇偶超结构,其手性和奇偶性由磁场的局部特征决定。 这种策略允许从各种化学化合物(等离子体材料、聚合物、氧化物、金属、半导体、荧光纳米结构和分子片段)的纳米结构中远程、可逆和瞬时地组装成奇偶超结构,并在其广泛的光谱和环偏振发光范围内有能力对它们的CD响应进行主动调谐,只要它们能够正确地绑定到磁纳米棒上。通过在聚合过程中施加外部磁场,可以将这些化学化合物的奇偶性固定在所有尺度上,这可以通过将形成的超结构嵌入聚合物基底来实现。这种简单策略使奇偶超结构在无外接磁场的情况下不 挥发,并为便携式奇偶器件提供了高度的可用性。
原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg2657

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