复旦大学，2025年第3篇Science！

【科学背景】

纳米颗粒被认为是“人造原子”，基于其可控组装构筑而成的超晶格（或超晶体）是一类具有晶体对称性的介观凝聚态物质，在能源、催化、力学、光电器件、生物医药等领域具有重要的应用价值。然而，实现超晶格材料的可编程化设计面临一个重要挑战：如何模拟原子成键，驱动颗粒间的选择性识别与方向性键合。而且，超晶格领域的前沿研究主要由欧美研究团队主导，且大多集中于球形或凸多面体纳米颗粒的研究。

【创新成果】

针对以上问题，2025年2月27日，复旦大学化学系董安钢、李同涛团队联合高分子科学系李剑锋团队及新加坡南洋理工大学倪冉团队另辟蹊径，报道了基于曲率介导的排空力构建纳米颗粒笼目超晶格的研究，提出利用非凸（nonconvex）纳米颗粒为构建基元，并通过调控颗粒的局部曲率，创造出类原子价键特性的颗粒间定向相互作用。非凸状哑铃形纳米晶体表现出由曲率引导耗尽相互作用控制的全局连锁自组装行为。通过调整纳米哑铃的局部曲率，可以精确而灵活地调整颗粒的成键方向，这种控制是传统凸面体砌块很难控制的。这些纳米哑铃可以经过长时间有序组装成各种复杂的二维超晶格，包括手性Kagome超晶格。理论计算结果表明，Kagome晶格是一个热力学稳定的晶相，耗尽相互作用在稳定这些非紧密排列的结构中起着至关重要的作用。Kagome晶格和其他不寻常结构表明非凸纳米晶体在构筑复杂结构方面的巨大潜力。有望在催化、能源、功能器件等领域带来创新性应用。相关结果以“Curvature-guided depletion stabilizes Kagome superlattices of nanocrystals”为题发表在Science上。复旦大学化学系博士后万思妤、新加坡南洋理工大学博士后夏秀杨为论文共同第一作者，复旦大学化学系董安钢教授、李同涛青年研究员、高分子科学系李剑锋教授以及新加坡南洋理工大学倪冉教授为论文共同通讯作者。

【数据概览】

图1 局部曲率调控构筑2D纳米哑铃超晶格© 2025 AAAS

图2 凹度适中的纳米哑铃自组装手性Kagome晶格© 2025 AAAS

图3 Kagome晶格的形成机理© 2025 AAAS

图4 纳米哑铃自组装形成复杂结构超晶格的设计© 2025 AAAS

【科学启迪】

该研究利用凹形纳米颗粒为构建基元，通过调变颗粒的局部曲率来调控颗粒间的排空力，成功实现了笼目晶格（Kagome lattice）等一系列新型超晶格材料的可控构建，为纳米颗粒自组装领域提供了全新的研究范式。研究还强调了曲率引导耗竭相互作用的关键作用，不仅促进了纳米哑铃的互锁，而且稳定了Kagome晶格等开放结构。通过互锁结构和可调的晶格对称性，这些纳米哑铃超晶格可以具有独特的机械和光学特性。此外，这种曲率介导的设计原则可以作为指导各种非凸纳米晶体自组装的通用策略。虽然这项工作主要集中在单组分超晶格上，但它为通过将纳米哑铃与适当形状的凸状纳米晶体组合在一起来创建更复杂的多组分超晶格铺平了道路。未来的研究可以进一步探索这些超晶格结构在光学、电子学和催化等领域的潜在应用，并通过共组装不同形状和尺寸的纳米晶体，开发更复杂的多组分超晶格材料。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu4125

本文由小艺撰稿