華南理工大學研究團隊發現了一種由分子五邊形構成的超分子膠束，這些膠束能夠自組裝形成一類獨特的超晶格結構。其中，一種超晶格結構超越了所有已知金屬合金的相態，因全球首次發現被命名為相。相關成果于2月1日發表在《自然-材料》。華南理工大學為論文第一署名單位和通訊單位。
“這一發現預示著，軟物質組裝作為一種材料構建策略，具備超越傳統金屬結構限制的潛力，讓新的人工材料的性能開發出現更多可能，為開發基于非金屬原型的‘軟合金’奠定了堅實的基礎。”論文第一作者兼共同通訊作者嚴笑云博士表示，相的形成源于分子五邊形膠束自然傾向于展現某種非球形特征，這是其他球形體系，甚至是具有不同對稱性的同系列分子都不具備的特性。
據介紹，研究人員首先通過模塊化合成方法制備了一系列盤狀分子，這些分子擁有精確定義的化學結構和對稱性。這些分子的中心由具有不同對稱性的核心構成，并通過點擊化學反應在外圍引入了修飾有疏水性柔性鏈的籠形聚倍半硅氧烷。
在實驗中，通過熱退火處理誘導這些盤狀分子組裝成超分子膠束，這些膠束由內部的芳環和外部的飽和烷烴鏈構成，并進一步自組裝形成周期性的超晶格結構。由于這些膠束在其組裝過程中的作用類似于金屬晶體中的原子，因此被稱為“介觀原子”。
嚴笑云表示，μ相是1935年在鐵鎢合金中首次發現的結構，在高溫合金領域仍占有重要地位，此次是該相在軟物質中的首次發現。低溫下的結構既通過小角散射也通過電鏡無法與已知結構對應。為了解析這一低溫結構，作者捕獲到了相轉變的中間態，并輔以多種模擬方法，最終成功推斷出了低溫相的結構，并將其命名為相。
μ相和相均屬于Frank-Kasper（FK）相，這是一類重要的合金結構。FK晶體結構的特點是僅由四面體空隙構成，完全由12、14、15、16配位的四種微環境在三維空間中排列組合而成。這類結構的緊密堆積使得其在冶金工業中以高硬度著稱，同時也常成為軟物質及其他材料堆積的優勢結構。
從金屬到肥皂泡，過去百年里，FK相在從原子尺度到宏觀尺度的不同材料中不斷被發現，目前已經確認了28種。相成為FK家族中的最新成員，也是首次在非金屬體系中發現的球堆積結構。更重要的是，相填補了FK結構類群中的一個重要缺口。
由于配位環境的限制，FK結構的某些特征晶面可以被看作是簡單幾何結構的排列組合。所有FK相均由三類基本FK相結構（A15、C15和Z相）的密鋪形式組成。該研究中新發現的?相完美地填補了金屬中已知的σ相與pσ相之間的空白。相在金屬結構中的空缺也暗示了自組裝結構在新結構構筑上的獨特維度。
該研究還強有力地證明了非凡的全局效應可以通過簡單的分子幾何設計來實現。同時說明了正因為由于軟物質的特性，他們的“介觀原子”比金屬原子具有對體積和形狀不對稱性有更大的容忍度，所以可以預見會有更多新的FK相結構在不久的將來能夠被人們所發現和認識。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01796-7
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