由介觀手性材料探討結構化學認知對新型材料研發(fā)的意義VIP

1、    由介觀手性材料探討結構化學認知對新型材料研發(fā)的意義    李遠博摘 要：人們對結構的認知在不斷地發(fā)展，在此過程中，新的認知對新材料的研發(fā)起了重要作用。無機手性材料是一個前沿課題，也是很好的例子。其中在介觀層面上的特殊結構表現在了物質的宏觀性質中，并且其合成方法是對超越分子尺度結構的合成，突破了傳統(tǒng)的分子尺度，得益于超分子結構化學的發(fā)展。關鍵詞：結構;材料;介觀尺度;手性;納米;超分子0 引言“結構決定性質”向來是化學工作者的共識。目前，材料科學充分利用基礎學科提供的工具，認識并設計、制造有使用價值的新物質1。一些前沿課題，例如無機手性材料中大量運

2、用了結構的理論基礎。1 結構尺度的認知結構化學的出現本身是由宏觀到微觀的認知過程，傳統(tǒng)結構化學主要集中于從原子和分子層面。而事實上物質的結構還可以從許多不同尺度進行探討2。不同尺度各具特點。對于手性這一性質，判據是結構中是否具有sn軸。從分子層面來說，手性可能由不對稱原子或特殊結構產生。對稱性這一概念對任何尺度下都適用，試想從更大的尺度來看，如果物質在介觀下組成了缺失sn軸的形狀，也可認為是手性的。例如天然石英晶體中硅氧四面體呈螺旋排列，是微觀層面的手性。而同樣是二氧化硅還可合成為一種螺旋狀介孔結構，形成介觀層面的手性3。介觀手性可能存在光、電、磁、力學的響應性和化學響應性，盡管許多還沒有明確

3、報道。例如這種材料在一些如折射、反射等與光的作用中，能夠對左、右圓偏振光產生不同的作用4。這是結構化學在納米尺度的發(fā)展對介觀材料研究的重要意義。納米材料興起的主要原因是近代結構化學的發(fā)展中，人們對量子效應、物質的局域性和界面效應認識的結果5。新材料的許多性質都需要借助不斷發(fā)展的結構理論加以描述和解釋，否則是沒有根基的，難以發(fā)揮其價值。2 合成方式的認知其中，b是苯丙氨醇誘導下形成的手性納米花，a是沒有足夠手性分子時相對無序的形貌。不同手性分子誘導情況下（使用不同量的苯丙氨醇以及不同的對映體），合成的氧化銅體現出相同的xrd信號（a），但在圓二色光譜（b）中表現出不同的光學活性。前面提及的二氧化

4、硅手性介孔材料的合成方法是軟模板法，利用表面活性劑自發(fā)形成膠束的性質，使得在膠束上沉積的材料留下相應孔道。同時，用氨基酸修飾表面活性劑使其具有手性。這是利用了次級鍵將手性小分子的不對稱性質傳遞給了非手性的材料本身，即使后續(xù)去除了手性分子，仍然會保留介觀層面的手性。另一個例子是氧化銅。氧化銅本身并無手性，但是使用超分子的自組裝可將其合成為手性材料。氫氧化銅的水熱分解可生成細微片狀的氧化銅結晶，使用手性分子誘導則能使層狀晶體以螺旋形堆疊。在苯丙氨醇的誘導作用下，該反應生成的氧化銅形態(tài)與無誘導時有明顯的區(qū)別。這種差異可通過電鏡觀測，手性分子的誘導使得片狀結晶之間排列為類似于花瓣的形狀，并且聚集為許多

5、顆粒，稱為氧化銅納米花6。通過x射線衍射可知無論是否誘導以及左右手性都是相同的衍射信號。也就是說，其微觀化學結構并沒有改變。但也就是說，其微觀化學結構并沒有改變。但是介觀下的花瓣形結構不僅實現超越分子尺度的結構合成，也確實使氧化銅體現出光學活性，印證了“結構決定性質”這一規(guī)律。其光學活性可通過圓二色光譜證明。手性分子在這里并不直接參與合成的化學反應，但是其分子間作用構筑了我們所期待的介觀結構，是超分子結構化學理論下的合成方法。3 總結對結構更深層次的理解使得更加先進、性質優(yōu)異的材料得以被開發(fā)，而相應對物質的操控能力增長也使人們能夠制造出更多種的材料。從最早對化學組成的合成，到結構的合成，再到更

6、加廣義的結構合成，小到單原子，大到超分子，對其結構的改變都能顯著地帶來不同的效果。這也就是結構化學對于材料發(fā)展的重要作用。參考文獻：1材料科學和技術綜合專題組.2020年中國材料科學和技術發(fā)展研究（上）c.2004：179-253.2郭雅芳，郭雅芳，王崇愚.多尺度材料模型研究及應用j.材料導報，2001：8+9-11.3 che s，liu z，ohsuna t， et al. synthesis and characterization of chiral mesoporous silicaj.nature，2004，429（6989）：281-284.4段瑛瀅.具有光學活性的手性無機納米材料的設計與合成d.上海：上海交通大學，2015.5白春禮.納米科技及其發(fā)展前景j.科學通報，2001（2）.6 duan y，liu x，han l， et al. optic