复旦大学研究团队实现新型纳米颗粒超晶格
复旦大学研究团队实现新型纳米颗粒超晶格
北京时间2025年2月28日凌晨，复旦大学研究团队在《科学》杂志（Science）上发表了一项突破性研究成果。该研究由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，以及新加坡南洋理工大学倪冉团队共同完成，题为“Curvature-guided depletion stabilizes Kagome superlattices of nanocrystals”（基于曲率介导的排空力构建纳米颗粒笼目超晶格）。
研究团队通过调控纳米颗粒的局部曲率，成功实现了笼目晶格（Kagome lattice）等新型超晶格材料的可控构建。这一突破为纳米颗粒自组装领域提供了全新的研究范式，有望在催化、能源、功能器件等领域带来创新性应用。
主要参与者（左起）：李同涛、万思妤、董安钢、李剑锋
创新性研究方法
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，在多个领域具有重要应用价值。然而，实现超晶格材料的可编程化设计面临重要挑战。复旦大学团队另辟蹊径，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。
这一原理类似于“锁与钥匙”的关系。研究团队设计并合成了哑铃形纳米晶，利用其头部与腰部曲率自互补的特点，实现了互锁式长程有序组装。研究表明，源自熵效应的排空力（depletion）是颗粒凹凸互锁组装的主要驱动力。通过精确调节哑铃形颗粒的凹度，团队成功实现了对颗粒键合方向的精准控制，构筑了多种低密度、低对称性的复杂超晶格结构。
通过调控哑铃形纳米颗粒局部曲率设计二维超晶格结构
Kagome晶格的突破性进展
Kagome晶格是最具代表性的超晶格结构之一，由共顶点的正六边形和正三角形周期性排列构成，是一种非密堆积的平面拓扑结构。这种结构在凝聚态物理与拓扑量子材料领域具有重要研究价值。然而，利用纳米晶为基元构建介观Kagome晶格此前尚未实现。
该研究通过优化合成条件制备了凹度适中的哑铃形颗粒，并基于气液界面组装技术，获得了高质量的二维Kagome超晶格，其单晶区域可达数十平方微米，包含超过10万个凹凸互锁的哑铃形颗粒。这种精度是传统3D打印和光刻技术难以比拟的，再次展现了纳米自组装技术在物质制备中的优势。
Kagome晶格的形成机制研究
理论与实验的深度结合
纳米颗粒自组装研究涉及化学、物理学、材料学等多个学科的知识和技能。复旦大学化学系董安钢、李同涛团队长期致力于纳米颗粒组装与应用研究，而高分子科学系李剑锋团队则专注于软物质的理论计算。双方通过实验与理论的深度交叉融合，揭示了非凸纳米颗粒自组装的规律与原理。
研究团队通过理论计算预测了超晶格的形成结构，并与实验数据高度吻合。理论计算表明，非密堆积的Kagome超晶格是热力学稳定相，新加坡南洋理工大学倪冉教授团队通过模拟分析证实其稳定性源自曲率介导的排空吸引力。在此分析基础上，研究团队进一步构建出了哑铃形颗粒超晶格的结构理论预测框架，为深入理解非凸纳米颗粒的自组装行为提供了重要的理论依据。
由中凹度哑铃形颗粒自组装而成的手性Kagome晶格
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，复旦大学为本工作的第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市科委基础研究领域重点项目、复旦大学“卓学优秀人才”计划等经费的资助。