圓二色性作為表征手性體系的重要光學(xué)特性，在光譜分析、光學(xué)材料及生物傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。具備強(qiáng)圓二色性、極化禁帶以及Weyl點(diǎn)特性的納米螺旋陣列，是極具潛力的光學(xué)手性超材料之一。盡管光刻、掠射角沉積和熱蒸發(fā)等技術(shù)能夠制備晶胞尺寸較大的螺旋晶體，但受限于高昂的成本和較長的工藝周期，數(shù)百納米級手性螺旋陣列的規(guī)；苽淙悦媾R嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?。這一技術(shù)瓶頸直接阻礙了可見光波段手性光學(xué)超材料的研發(fā)進(jìn)程，尤其是對于晶胞尺寸需與光波長嚴(yán)格匹配的等離子體手性螺旋陣列，現(xiàn)有技術(shù)難以兼顧其亞波長結(jié)構(gòu)精度與規(guī)；苽湫枨。
球形金納米粒子的最大吸收峰通常位于可見光波段。相較于自上而下的制造策略，自下而上的納米粒子自組裝技術(shù)為在可見光波段構(gòu)筑強(qiáng)圓二色性納米螺旋陣列開辟了極具前景的途徑。Janus納米粒子作為最簡單的表面各向異性構(gòu)筑基元，可自組裝成多種手性螺旋結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)顯著的手性光學(xué)效應(yīng)。研究表明，圓柱形空間受限可誘導(dǎo)粒子組裝形成螺旋結(jié)構(gòu)，而他們的前期研究亦證實(shí)Janus 納米粒子可自組裝形成六方柱狀結(jié)構(gòu)，其柱內(nèi)空間可為粒子提供圓柱形的自受限環(huán)境。因此，Janus 納米粒子的自受限自組裝為構(gòu)筑手性螺旋陣列提供了一種高效且可控的方案。然而， Janus 納米粒子直接自組裝形成手性納米螺旋陣列的構(gòu)筑策略、形成機(jī)制及其圓二色性響應(yīng)規(guī)律仍不清楚。因此，基于前期已發(fā)展的補(bǔ)丁粒子模型（Soft Matter, 8, 6693, 2012; Soft Matter, 12, 741, 2016; Soft Matter, 14, 7625, 2018; J. Phys. Chem. Lett., 12, 8872, 2021; J. Phys. Chem. Lett., 12, 7159, 2021）及介觀動力學(xué)模擬方法，鄭州大學(xué)李占偉特聘教授團(tuán)隊(duì)針對Janus納米粒子的自組裝行為進(jìn)行了系統(tǒng)的理論模擬研究，成功構(gòu)筑了一系列具有強(qiáng)圓二色響應(yīng)的手性納米螺旋陣列，并提出了基于Janus粒子自受限自組裝構(gòu)筑手性納米螺旋陣列的新策略。
圖1：手性納米螺旋陣列自受限自組裝構(gòu)筑策略示意圖。
圖2：Janus納米粒子自受限自組裝形成手性螺旋陣列。（a）Janus納米粒子自組裝相圖。（b）- (c) 手性螺旋陣列的典型形貌圖。（d）- (i) 手性螺旋陣列的結(jié)構(gòu)特征。
圖3：補(bǔ)丁焓及Voronoi熵分析。（a）不同螺旋陣列及非手性柱狀結(jié)構(gòu)的補(bǔ)丁焓及Voronoi熵。（b）手性螺旋陣列形成過程中補(bǔ)丁焓及Voronoi熵的變化。
圖4： 手性螺旋陣列形成的動力學(xué)機(jī)制。 （a） 螺旋陣列形成過程中的序參數(shù)變化，以及（b）-（g）形成過程中的典型形貌圖。
圖5： 手性納米螺旋陣列可見光波段的圓二色譜及g-factor譜。
總之，本工作提出了一種補(bǔ)丁焓驅(qū)動的自下而上自組裝策略，通過Janus納米粒子自受限自組裝成功構(gòu)筑了手性納米螺旋陣列。介觀動力學(xué)模擬結(jié)果表明，補(bǔ)丁焓驅(qū)動了柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)的逐步形成，手性納米螺旋陣列的形成過程遵循?典型的兩步自組裝機(jī)制，Janus納米粒子首先自組裝形成柱狀自受限環(huán)境，隨后在該受限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)螺旋超結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑。熱力學(xué)分析結(jié)果表明，補(bǔ)丁焓的降低主導(dǎo)了手性對稱性自發(fā)破缺過程。而且，所構(gòu)建的手性納米螺旋陣列同時展現(xiàn)出可見光波段?強(qiáng)圓二色性響應(yīng)?與?高g-factor特性?。因此，上述補(bǔ)丁焓驅(qū)動的自受限自組裝策略為手性光學(xué)超材料的理性設(shè)計(jì)與功能化應(yīng)用提供了新思路。
論文信息：Yu-Wei Sun, Zhan-Wei Li*, Nanohelix Arrays with Giant Circular Dichroism through Patch-Enthalpy-Driven Self-Confined Self-Assembly of Janus Nanoparticles, Nano Letters 2025, 25, 11, 4540–4548.
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00408
- 清華大學(xué)楊振忠/梁福鑫團(tuán)隊(duì) ACS Nano：基于Janus顆粒構(gòu)筑相變有機(jī)水凝膠 2022-06-17
- 寧波大學(xué)孫巍團(tuán)隊(duì) Chem.Commun.：基于界面誘導(dǎo)過程構(gòu)建聚合物基納米復(fù)合膜制備策略 2022-05-30
- 清華大學(xué)燕立唐研究員：含Janus粒子組裝體的構(gòu)筑、調(diào)控及功能的模擬與理論研究 2017-02-28
- 華南理工大學(xué)王林格教授團(tuán)隊(duì) Small：以聚合誘導(dǎo)自組裝方法制備與調(diào)控具有剛性直鏈成核鏈段的球狀液晶納米顆粒 2025-07-13
- 中國科大龔興龍課題組、伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華課題組 Adv. Mater.：剪切變硬膠基異質(zhì)自組裝策略實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下力-熱耦合多場防護(hù) 2025-07-09
- 天津大學(xué)宋東坡教授課題組 Angew：超分子瓶刷自組裝構(gòu)筑納米到微米跨尺度光學(xué)結(jié)構(gòu) 2025-05-15
