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手性這一概念廣泛存在于自然界的各個角落，大到宇宙天體旋轉(zhuǎn)，小到生物體內(nèi)最重要的能源物質(zhì)?糖類。現(xiàn)代化學(xué)與材料學(xué)中手性也展現(xiàn)出了強大的影響力，活躍于制藥、顯示、傳感等不同領(lǐng)域。在軟材料領(lǐng)域，得益于自組裝這一獨特的機制，手性可以同時出現(xiàn)在多尺度、多層級的復(fù)雜自組裝結(jié)構(gòu)當(dāng)中。隨著合成與制備技術(shù)的成熟，對于納米尺度材料，從分子層次了解手性物質(zhì)結(jié)構(gòu)是研究手性內(nèi)在物理特性的必要需求，也是對手性材料性能進一步優(yōu)化的重要手段。目前針對材料手性的表征方法，主要依賴于電子顯微鏡或圓二色譜，遺憾的是，這類技術(shù)往往只能提供形貌信息以及定性的判斷手性的存在與否，難以提供分子層次的結(jié)構(gòu)信息。此外，限于樣品制備條件，電子顯微鏡進行原位測試也存在很多潛在的難點。

針對這一科學(xué)問題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院、陜西省軟物質(zhì)國際聯(lián)合研究中心的研究人員，與美國勞倫斯伯克利國家實驗室以及斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)等研究人員合作，利用共振軟X射線散射(RSoXS)研究了不同形狀分子(棒狀，扇形等)形成雙螺旋二十四面體(double gyroid)結(jié)構(gòu)的自組裝行為，從而首次成功地從分子層次解析了該結(jié)構(gòu)。Double gyroid作為一種廣泛存在于自然界以及各類材料當(dāng)中的立方結(jié)構(gòu)，是由兩套具有相反手性的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)相互嵌套而成。得益于其網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，這類結(jié)構(gòu)在質(zhì)子導(dǎo)體以及電池等領(lǐng)域都有相當(dāng)大的潛在應(yīng)用價值，而理解此復(fù)雜結(jié)構(gòu)中分子排布的方式是其邁向應(yīng)用的重要一步。在共振條件下，線偏振X射線可以識別分子內(nèi)或是分子間的極性，而極性的周期性變化也可以作為RSoXS的信號來源，提供分子層次上的結(jié)構(gòu)信息。借助于這種特性以及原位X射線能量掃描，研究人員成功地發(fā)現(xiàn)了本征系統(tǒng)消光的(110)與(200)衍射峰，這類衍射峰在晶體學(xué)中被稱為forbidden peak。為了深入理解forbidden peak與分子排布之間的關(guān)系，揭示其隱含的結(jié)構(gòu)信息，研究人員通過簡化的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合散射理論，對RSoXS散射圖譜進行模擬計算，所得的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果完全一致。這一發(fā)現(xiàn)首次從分子層次的角度解析了double gyroid結(jié)構(gòu)，并且證明了RSoXS在分子層次上對手性結(jié)構(gòu)的強大解析能力，為解析和表征其他手性結(jié)構(gòu)提供了新的思路。

近日，該研究成果以“通過共振軟X射線散射解析雙螺旋二十四面體型網(wǎng)絡(luò)中分子排布(Molecular Packing in Double Gyroid Cubic Phases Revealed via Resonant Soft X-ray Scattering)”為題發(fā)表在國際物理領(lǐng)域旗艦期刊《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett.)上。該論文第一作者為西安交大材料學(xué)院博士生曹瑜，通訊作者是西安交大金屬材料強度國家重點實驗室劉峰教授，美國勞倫斯伯克利國家實驗室朱陳輝研究員以及斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)及Nata?a Vaupoti?教授，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室為本文第一單位。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、國際合作項目以及國家留學(xué)基金委等共同資助。

劉峰教授領(lǐng)導(dǎo)的功能軟材料團隊成立于2013年，研究方向涉及軟材料的基礎(chǔ)理論、制備合成、物理與化學(xué)特性。本工作是團隊今年在化學(xué)類旗艦期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2725-2729; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10143-10150)、高分子類旗艦期刊Macromolecules(Macromolecules 2020, 53, 4193-4203)上發(fā)表工作成果之后，又在物理類旗艦雜志上發(fā)表重要研究成果。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.027801