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Nature:手性单分子层二维纳米片的液相剥离
更新日期:2022-03-01  
 

2022224日,上海交通大学崔勇教授团队、布里斯托大学Anthony P. Davis和阿卜杜拉国王科技大学的韩宇(Yu Han)等人合作的研究成果自支撑手性二维单层分子晶体Free-standing homochiral 2D monolayers by exfoliation of molecular crystals)刊登在国际学术期刊Nature上(DOI: 10.1038/s41586-022-04407-8)。他们通过液相超声剥离法,成功从由离散的超分子配位复合物(SCC)组成的3D分子晶体中剥离得到约2.3 nm厚的微米级单层手性2D纳米片,产率为8%

2004年石墨烯被报道以来,单层二维(2D)材料因其高纵横比的片状结构,大比例暴露活性位和易加工等特点一直是化学、物理和材料等领域的研究前沿。从结构上看,原子或分子间需要有强的共价键、离子键或配位键才能支撑起稳定的二维结构,而超分子化学中的弱作用力被认为不足以支撑形成有序且稳定的2D单层结构。手性材料研究对推动催化科学、分离技术、光电子学和生物医学等领域发展具有重要意义。在超分子层次缺少构筑多级次表面微纳结构的方法和表征手段,严重制约了对材料中手性识别和传递的认识和调控,因此探索单层手性2D分子材料的制备、结构和性能是突破这一科学瓶颈的新途径。


1.块状超分子大环晶体的剥离和AFM单层表征

据此,研究人员提出剥离大环分子晶体策略,成功制备了自支撑手性2D单层分子材料,并清晰观察到手性表面的微纳结构。将含丰富超分子作用位点的手性金属-有机大环晶体(JACS, 2008, 130, 4582; JACS, 2017, 139, 1554)超声剥离成具有超高横纵比(2500:1)的单层手性2D纳米片(图1),通过球差校正透射电镜首次观察到结构明确的金属-有机大环超分子结构,并证实了大环之间仅仅依靠弱作用力(CH-π/π-π键),不需要任何支撑体(图2),就能够以单层晶态形式稳定存在(分子纳米片)。通过对糖类等重要分子的对映选择性识别和检测研究,揭示了活性位点、本征大环和微纳结构表面之间显著的协同作用和协同效应。

该研究将手性化学、超分子化学和2D材料三个前沿领域有机结合起来,证实了自支撑单层2D分子晶体的存在,明确了跨层次/跨尺度的手性表达过程,扩大了现有手性材料和2D材料体系,为更广阔的研究和应用奠定了基础。

同期的News and Views栏目中以Fragile nanosheets stripped from crystals为题对该工作进行评述(DOI: 10.1038/d41586-022-00466-z)。


2.单层手性分子纳米片的球差透射电镜表征

(摘自上海交通大学