SHMFF装置助力科研团队首次人工实现纳米螺旋-解旋-再螺旋

近期，南京大学陆轻铱教授&高峰教授课题组与中国科学院合肥物质院强磁场中心、中国科大合作，依托稳态强磁场实验装置(SHMFF)，发现一种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，首次实现了纳米线与纳米螺旋之间的多重可逆变化(图1)。研究成果在线发表在Nature Communications上。
 
　　纳米螺旋的可逆变化是自然界、生命过程中最精致和最重要的现象之一。然而，纳米材料扭转形成螺旋晶体通常比较困难。目前已报道的纳米螺旋生成的驱动力通常是不可逆的，其反向过程(解旋)难以实现，纳米螺旋经解旋后再重新螺旋则更加困难。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非常微妙的能量平衡。长期以来，这种纳米螺旋的可逆变化一直被认为难以获得。

本项研究中，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。研究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。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，成功实现了纳米结构的螺旋、解旋和再螺旋。
 
　　本研究提出了一种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，为晶体学带来一个全新视角，丰富了晶体学理论，使多重复杂可逆过程的实现成为可能。
 
　　南京大学博士研究生杜薇为文章的第一作者，南京大学陆轻铱教授和高峰教授、中国科学院强磁场中心陆轻铀研究员和王俊峰研究员、中国科大江俊教授为共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等的经费资助。