上海交大崔勇教授團(tuán)隊(duì)Nature Chemistry：新興的手性二維材料
日期：2024-08-22
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2024年8月21日，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院崔勇教授團(tuán)隊(duì)受邀在Nature Chemistry期刊發(fā)表前瞻性論文“Emerging chiral two-dimensional materials”。論文重點(diǎn)介紹了手性二維材料的合成策略、界面表征方法以及潛在的應(yīng)用，并為這個新興領(lǐng)域的未來提供了更多選擇和挑戰(zhàn)。上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、變革性分子前沿科學(xué)中心和金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一且唯一通訊單位。論文由董金橋副教授、劉燕教授和崔勇教授共同撰寫。
自2004年石墨烯被報(bào)道后，二維材料(2D Materials)的發(fā)展十分迅速，如過渡金屬硫化物、氮化硼、沸石、金屬氧化物、黑磷、鈣鈦礦、團(tuán)簇類烯、二維金屬-有機(jī)框架以及二維有機(jī)多孔聚合物等。這些材料與石墨烯具有相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但在元素組成上不盡相同，因此也具有各自的獨(dú)特性能，并在光電器件、傳感、催化、能源轉(zhuǎn)化、分子識別和分離等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。雖然二維材料得到了廣泛關(guān)注，但關(guān)于手性二維材料的研究卻鮮有涉及，目前該領(lǐng)域尚處于起步階段。研究二維材料中的手性現(xiàn)象不僅對手性催化、手性識別與分離、化學(xué)傳感器等領(lǐng)域具有重要指導(dǎo)意義，還在探索生命物質(zhì)手性起源等方面至關(guān)重要。相比手性小分子、手性超分子、一維手性螺旋結(jié)構(gòu)以及三維手性多孔結(jié)構(gòu)，二維手性層狀結(jié)構(gòu)因其超高的比表面積及其獨(dú)特的化學(xué)和物理特性，成為備受關(guān)注的材料，并為新一代光學(xué)活性系統(tǒng)和光電子器件的功能材料提供了巨大潛力。然而，由于當(dāng)前將分子手性引入二維結(jié)構(gòu)的難度較大，具有特定功能的二維手性材料的研究仍相對稀缺。因此，探索手性二維材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能，已成為突破這一科學(xué)瓶頸的新途徑。
上海交通大學(xué)崔勇教授團(tuán)隊(duì)在國際上率先開展手性二維材料的可控制備與應(yīng)用。如構(gòu)筑了系列手性二維共價有機(jī)框架（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12332-12335；Nat. Commun. 2018, 9, 1294；J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7081-7089）；手性二維金屬-有機(jī)框架（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 17685-17695；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3509-3518）。在2022年，該團(tuán)隊(duì)在國際上首次成功制備了自支撐手性二維單層分子晶體，并清晰觀察到手性表面的微納結(jié)構(gòu)（Nature 2022, 602, 606–611）。
鑒于手性2D材料在過去五年的迅速發(fā)展，該前瞻性論文系統(tǒng)的總結(jié)了基于分子組裝的手性2D材料，著重介紹了五大類手性2D結(jié)構(gòu)：包括手性二維金屬-有機(jī)框架（Chiral 2D MOFs）、手性二維共價有機(jī)框架（Chiral 2D COFs）、手性二維分子組裝體（Chiral 2D molecular assemblies）、手性二維鈣鈦礦（Chiral 2D perovskites）以及手性二維蛋白結(jié)構(gòu)（Chiral 2D proteins）（如圖1所示）。論文主要探討了這些二維材料的構(gòu)筑方式、剝離方法、微納界面結(jié)構(gòu)的表征和潛在的應(yīng)用。討論了手性在二維結(jié)構(gòu)的長程傳遞和放大過程以及與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。這些研究結(jié)果為表界面手性調(diào)控提供了新途徑，明確了分子在二維結(jié)構(gòu)中的有序手性聚集和放大機(jī)制，并為手性二維材料在不對稱催化及手性分離等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。論文最后提出了手性二維材料存在的科學(xué)挑戰(zhàn)以及未來可能的研究方向，例如構(gòu)筑柔性二維金屬-多肽框架材料有望解決手性膜分離及仿生跨膜傳輸領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。
圖1. 基于蛋白結(jié)構(gòu)組裝的手性二維材料
該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部和上?？莆馁Y助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01595-w
