手性纳米粒子具有独特的光学性质,因此在生物分析、医药、手性催化以及光电磁学等领域具有重要的科学与应用价值。然而,人们对手性光学材料的认识还处于起步阶段,且面临着光学表征技术存在局限、“结构-手性”光学构效关系不够明确、手性产生和转移机理有待阐明等诸多关键科学问题。近日,武汉大学化学与分子科学学院张庆丰课题组采用手性分子诱导的结构生长策略,成功构筑了具有双几何手性中心的双手性金纳米粒子,通过调控手性中心之间的相互竞争,实现了对圆二色信号的可控反转(图1)。该研究为操纵光的自旋态提供了一种新的结构设计思路,在手性分子传感、光开关及光通信领域具有重要的应用价值。论文发表在国际权威期刊ACS Nano。
图1. 基于双手性结构实现圆二色信号的可控反转
本论文中,研究团队通过“晶种介导生长法”实现了对双手性纳米粒子的可控精准合成,并发现其具有新奇的圆二色性信号反转现象。传统的螺旋型手性结构,通常只具有一个手性中心,需要对其进行镜面对称操作才能实现手性反转,使其手性反转调控变得困难。研究团队结合实验与理论模拟证实,旋桨型双手性粒子具有双几何手性中心,通过两个手性中心之间的竞争可以实现对圆二色性信号的可控反转(图2)。分析表明,在生长过程中,手性分子不仅通过特异性吸附将手性从分子传递到纳米粒子,而且能有效调控晶体结构演变,促成了双几何手性中心结构的形成。同时,通过对手性分子结构的修饰和晶种晶体结构的改变,研究团队也证实手性分子的分子结构、晶种的晶体结构对双手性中心结构的形成具有重要的影响。本工作为基于纳米结构的圆二色信号调控提供了新的研究范式,也为理性设计双手性纳米结构实现新颖手性光学应用提供了重要的指导。
图2. 结合实验和理论模拟证实双几何手性中心结构是实现圆二色信号可控反转的关键
论文中武汉大学为第一署名单位,化学与分子科学学院硕士研究生孙雪皓为论文第一作者,通讯作者为化学与分子科学学院张庆丰教授和孙丽超讲师。论文中光学模拟部分得到了合作者武汉大学物理科学与技术学院徐红星院士和华东师范大学物理与电子科学学院杨坚博士的支持。该研究得到了国家自然科学基金委、湖北省自然科学基金委、中央高校基本科研业务费专项基金以及武汉大学高层次人才启动经费的资助,并获得了武汉大学科研公共服务条件平台的大力支持。
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Tunable Reversal of Circular Dichroism in the Seed-Mediated Growth of Bichiral Plasmonic Nanoparticles
Xuehao Sun, Jian Yang, Lichao Sun*, Guizeng Yang, Chuang Liu, Yunlong Tao, Qingqing Cheng, Chen Wang, Hongxing Xu, and Qingfeng Zhang*
ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c08381
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