由介观手性材料探讨结构化学认知对新型材料研发的意义

李远博

摘 要：人们对结构的认知在不断地发展，在此过程中，新的认知对新材料的研发起了重要作用。无机手性材料是一个前沿课题，也是很好的例子。其中在介观层面上的特殊结构表现在了物质的宏观性质中，并且其合成方法是对超越分子尺度结构的合成，突破了传统的分子尺度，得益于超分子结构化学的发展。

关键词：结构;材料;介观尺度;手性;纳米;超分子

0 引言

“结构决定性质”向来是化学工作者的共识。目前，材料科学充分利用基础学科提供的工具，认识并设计、制造有使用价值的新物质[1]。一些前沿课题，例如无机手性材料中大量运用了结构的理论基础。

1 结构尺度的认知

结构化学的出现本身是由宏观到微观的认知过程，传统结构化学主要集中于从原子和分子层面。而事实上物质的结构还可以从许多不同尺度进行探讨[2]。不同尺度各具特点。对于手性这一性质，判据是结构中是否具有Sn轴。从分子层面来说，手性可能由不对称原子或特殊结构产生。对称性这一概念对任何尺度下都适用，试想从更大的尺度来看，如果物质在介观下组成了缺失Sn轴的形状，也可认为是手性的。例如天然石英晶体中硅氧四面体呈螺旋排列，是微观层面的手性。而同样是二氧化硅还可合成为一种螺旋状介孔结构，形成介观层面的手性[3]。

介观手性可能存在光、电、磁、力学的响应性和化学响应性，尽管许多还没有明确报道。例如这种材料在一些如折射、反射等与光的作用中，能够对左、右圆偏振光产生不同的作用[4]。这是结构化学在纳米尺度的发展对介观材料研究的重要意义。纳米材料兴起的主要原因是近代结构化学的发展中，人们对量子效应、物质的局域性和界面效应认识的结果[5]。新材料的许多性质都需要借助不断发展的结构理论加以描述和解释，否则是没有根基的，难以发挥其价值。

2 合成方式的认知

其中，b是苯丙氨醇诱导下形成的手性纳米花，a是没有足够手性分子时相对无序的形貌。

不同手性分子诱导情况下（使用不同量的苯丙氨醇以及不同的对映体），合成的氧化铜体现出相同的XRD信号（a），但在圆二色光谱（b）中表现出不同的光学活性。

前面提及的二氧化硅手性介孔材料的合成方法是软模板法，利用表面活性剂自发形成胶束的性质，使得在胶束上沉积的材料留下相应孔道。同时，用氨基酸修饰表面活性剂使其具有手性。这是利用了次级键将手性小分子的不对称性质传递给了非手性的材料本身，即使后续去除了手性分子，仍然会保留介观层面的手性。

另一个例子是氧化铜。氧化铜本身并无手性，但是使用超分子的自组装可将其合成为手性材料。氢氧化铜的水热分解可生成细微片状的氧化铜结晶，使用手性分子诱导则能使层状晶体以螺旋形堆叠。在苯丙氨醇的诱导作用下，该反应生成的氧化铜形态与无诱导时有明显的区别。这种差异可通过电镜观测，手性分子的诱导使得片状结晶之间排列为类似于花瓣的形状，并且聚集为许多颗粒，称为氧化铜纳米花[6]。通过X射线衍射可知无论是否诱导以及左右手性都是相同的衍射信号。也就是说，其微观化学结构并没有改变。但也就是说，其微观化学结构并没有改变。但是介观下的花瓣形结构不仅实现超越分子尺度的结构合成，也确实使氧化铜体现出光学活性，印证了“结构决定性质”这一规律。其光学活性可通过圆二色光谱证明。手性分子在这里并不直接参与合成的化学反应，但是其分子间作用构筑了我们所期待的介观结构，是超分子结构化学理论下的合成方法。

3 总结

对结构更深层次的理解使得更加先进、性质优异的材料得以被开发，而相应对物质的操控能力增长也使人们能够制造出更多种的材料。从最早对化学组成的合成，到结构的合成，再到更加广义的结构合成，小到单原子，大到超分子，对其结构的改变都能显著地带来不同的效果。这也就是结构化学对于材料发展的重要作用。

参考文献：

[1]材料科学和技术综合专题组.2020年中国材料科学和技术发展研究（上）[C].2004：179-253.

[2]郭雅芳，郭雅芳，王崇愚.多尺度材料模型研究及应用[J].材料导报，2001：8+9-11.

[3] Che S，Liu Z，Ohsuna T， et al. Synthesis and Characterization of Chiral Mesoporous Silica[J].Nature，2004，429（6989）：281-284.

[4]段瑛滢.具有光学活性的手性无机纳米材料的设计与合成[D].上海：上海交通大学，2015.

[5]白春禮.纳米科技及其发展前景[J].科学通报，2001（2）.

[6] Duan Y，Liu X，Han L， et al. Optically Active Chiral Cuo ‘nanoflowers[J].Journal of the American Chemical Society，2014（136）.