北理工團隊在旋槳手性及圓二色性符號反轉研究方面取得系列重要進展


近日,北京理工大學物理學院李家方、姚裕貴教授團隊,利用納米剪紙技術制備了一種立體扭曲的人工旋槳手性超分子結構,基于手性中心競爭機制,利用結構的曲線擾動、曲線旋轉等機制實現了圓二色性符號的異常反轉。該系列創新成果分別發表在國際頂級期刊Nano Letters(IF: 11.189上)和Advanced Optical Materials(IF: 9.926上)。

圖1 人工超分子及圓二色性反轉的幾何設計思路。人工旋槳手性分子原胞內葉片和原胞間葉片分別形成R和L兩個幾何手性中心。

在之前的研究中,研究者主要利用具有明確旋向的螺旋幾何構型來增強光和物質的手性相互作用。然而,這類構型的光學手性響應要實現反轉,必須對其進行鏡面對稱操作,使結構發生巨大的改變。近年來,一種獨特的螺旋槳狀幾何構型在分子領域引起了極大的關注,通過輕微地翻轉“分子葉片”就可以反轉其光學手性響應。然而,這種立體旋槳手性的研究僅僅局限于分子領域,在微納光子學領域面臨制備方法上的挑戰。

針對這一難題,研究團隊采用自主發展的納米剪紙技術[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018), Adv. Mater. 32, 1907077 (2020), Nat. Commun. 12, 1299 (2021)],通過引入微擾構建了兩個幾乎一致的雙幾何手性人工旋槳超分子陣列結構,實現了圓二色性劇烈的符號反轉。理論分析表明,該反直覺的圓二色性符號反轉是由相位控制的手性電四極矩激發與表面晶格共振放大效應導致的手性競爭引起的。

圖2 制備的兩個幾乎一致的雙幾何手性旋槳超分子陣列及觀測的圓二色性符號反轉。

該研究[Nano Lett. 21, 6828 (2021)]提出的人工旋槳手性新概念和新構型,為深入研究手性光物理提供了新的范式,并為研制新奇的手性材料提供了理想的平臺。紀昌銀博士生為論文的第一作者,北理工物理學院李家方教授、姚裕貴教授為論文的共同通訊作者。暨南大學徐毅教授,北京理工大學分析測試中心、高精尖創新中心等給予了項目大力支持與幫助。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省重點研發計劃、北京市自然科學基金等項目支持。

文章信息(#為共同一作;*為通訊作者):Chang-Yin Ji, Shanshan Chen, Yu Han, Xing Liu, Juan Liu, Jiafang Li,* and Yugui Yao*, “Artificial Propeller Chirality and Counterintuitive Reversal of Circular Dichroism in Twisted Meta-molecules”, Nano Letters 21, 6828-6834 (2021).

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01802

相關文章:Xia Li,# Chang-Yin Ji,#,* Shanshan Chen, Yu Han, Juan Liu, and Jiafang Li*, “Phase enabled circular dichroism reversal in twisted bi-chiral propeller metamolecule arrays”, Advanced Optical Materials 2021, in press (DOI: 10.1002/adom.202101191).


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