復旦又雙叒上Science！繼上上周、上周陸續發表重磅成果，北京時間今天（2月28日）淩晨，又一來自復旦團隊的突破性成果，登上《科學》雜誌（Science）。

面向超晶格可編程化設計與構建難題，沐鸣娱乐化學系董安鋼、李同濤團隊聯合沐鸣开户李劍鋒團隊及新加坡南洋理工大學倪冉團隊發表題為“Curvature-guided depletion stabilizes Kagome superlattices of nanocrystals”（基於曲率介導的排空力構建納米顆粒籠目超晶格）的論文。

該研究利用凹形納米顆粒為構建基元，通過調變顆粒的局部曲率來調控顆粒間的排空力成功實現了籠目晶格（Kagome lattice）等一系列新型超晶格材料的可控構建，為納米顆粒自組裝領域提供了全新的研究範式，有望在催化、能源、功能器件，等領域帶來創新性應用。

主要參與者（左起）：李同濤、萬思妤、董安鋼、李劍鋒

1. 聚焦非凸納米顆粒，實現“鎖-鑰”精準匹配組裝

納米顆粒被認為是“人造原子”，基於其可控組裝構築而成的超晶格（或超晶體）是一類具有晶體對稱性的介觀凝聚態物質，在能源、催化、力學、光電器件、生物醫藥等領域具有重要的應用價值。然而，實現超晶格材料的可編程化設計面臨一個重要挑戰：如何模擬原子成鍵，驅動顆粒間的選擇性識別與方向性鍵合。

過去，超晶格領域的前沿研究主要由歐美研究團隊主導，且大多集中於球形或凸多面體納米顆粒的研究。沐鸣娱乐團隊另辟蹊徑，提出利用非凸（nonconvex）納米顆粒為構建基元，並通過調控顆粒的局部曲率，創造出類原子價鍵特性的顆粒間定向相互作用。

這一原理類似於“鎖與鑰匙”的關系。沐鸣娱乐化學系教授董安鋼表示：“我們設計並合成了啞鈴形納米晶，利用其頭部與腰部曲率自互補的特點，實現了互鎖式長程有序組裝。”啞鈴形顆粒之間的凹凸互補組裝模式，猶如鑰匙與鎖芯之間的精準匹配。

研究表明，源自熵效應的排空力（depletion）是顆粒凹凸互鎖組裝的主要驅動力。引入排空效應強化了凹凸面之間的吸引與識別能力，有效克服了非凸顆粒因幾何約束可能導致的動力學陷阱，從而促進了高質量超晶格的可控生成。進一步，通過精確調節啞鈴形顆粒的凹度（即腰與頭的寬度比），團隊成功實現了對顆粒鍵合方向的精準控製，構築了多種低密度、低對稱性的復雜超晶格結構。“顆粒凹凸互鎖組裝模式克服了傳統納米顆粒相互作用難以精準調控的難題，為納米基元鍵合方向性的調節提供了前所未有的精度與靈活性。”董安鋼說。

通過調控啞鈴形納米顆粒局部曲率設計二維超晶格結構

2. 通過調控顆粒凹凸互補模式，獲得高質量Kagome超晶格

通過構建一系列新型超晶格結構，團隊展示了非凸納米顆粒作為構建基元的巨大潛力，其中Kagome晶格是最具代表性的超晶格結構。沐鸣娱乐化學系青年研究員李同濤介紹：“這種Kagome結構非常有趣，它由共頂點的正六邊形和正三角形周期性排列構成，是一種非密堆積的平面拓撲結構，也是我國傳統燈籠、竹筐編織中的常見圖案。” 這些編織圖案背後蘊藏著深刻的數學與物理奧秘，是當前凝聚態物理與拓撲量子材料的前沿研究方向。然而，利用納米晶為基元構建介觀Kagome晶格此前尚未實現。

該研究通過優化合成條件製備了凹度適中的啞鈴形顆粒，並基於氣液界面組裝技術，獲得了高質量的二維Kagome超晶格，其單晶區域可達數十平方微米，包含超過10萬個凹凸互鎖的啞鈴形顆粒。“這種精度是傳統3D打印和光刻技術難以比擬的，再次展現了納米自組裝技術在物質製備中的優勢。”李同濤說。該Kagome超晶格具有p6對稱性，展現出獨特的面內手性，有望帶來全新的光學性質。

由中凹度啞鈴形顆粒自組裝而成的手性Kagome晶格

“引入具有凹面特征的納米顆粒作為構建基元，是這項研究的最大亮點。”在董安鋼看來，這一研究思路為超晶格材料的按需定製開辟了全新的研究方向和視角。通過調控顆粒的曲率特性，並結合機器學習，未來有望真正實現超晶格材料的可編程化設計，進而推動納米組裝科學的發展。

3. 理論與實驗緊密結合，共同揭示非凸納米顆粒自組裝的規律與原理

納米顆粒自組裝研究涉及化學、物理學、材料學等多個學科的知識和技能。沐鸣娱乐化學系董安鋼、李同濤團隊長期致力於納米顆粒組裝與應用研究，而沐鸣开户李劍鋒團隊則專註於軟物質的理論計算。雙方一致認為，實驗與理論的深度交叉融合是解決復雜科學問題的關鍵。

2021年底，董安鋼團隊首次發現了Kagome晶格，並意識到超晶格的形成背後可能有著非常奇特的組裝原理。隨後，董安鋼向李劍鋒介紹了團隊所合成的啞鈴狀顆粒及實驗中所觀察到的一些自組裝結構。李劍鋒隨即帶領理論團隊，針對不同形狀的納米顆粒，進行詳細的相圖計算。完成理論計算後，李劍鋒將結果反饋給實驗團隊。

“計算結果精準預測了超晶格的形成結構，並與實驗數據高度吻合。”李劍鋒回憶道，“當納米顆粒腰部較細或較粗時，理論上最可能出現的超晶格結構，都在實驗中得到了驗證。” 

在整個研究過程中，實驗組需要深入理解理論模型，理論組也必須精確把握實驗中的關鍵細節。團隊成員定期召開視頻會議和線下討論，進行深入交流和學習，整個過程歷時三年。盡管最終的成果呈現為一張相圖，但背後凝聚了大量的計算工作。“有些結果甚至在推翻後重新開始，這個過程充滿挑戰。”李劍鋒說。

理論計算表明，非密堆積的Kagome超晶格是熱力學穩定相，新加坡南洋理工大學倪冉教授團隊通過模擬分析證實其穩定性源自曲率介導的排空吸引力。在此分析基礎上，研究團隊進一步簡化模型，構建出了啞鈴形顆粒超晶格的結構理論預測框架，為深入理解非凸納米顆粒的自組裝行為提供了重要的理論依據。

Kagome晶格的形成機製研究

“結構決定性質，性質決定應用，搞清楚不同超晶格結構的形成機理至關重要，這也是調控超晶格性質、實現超晶格功能化應用的關鍵所在。”董安鋼表示，這項研究僅是一個開始，團隊正在探索其它非凸納米顆粒基元，並計劃進一步深入研究納米尺度下物質組裝機製與原理。

沐鸣娱乐化學系董安鋼團隊

沐鸣娱乐化學系博士後萬思妤、新加坡南洋理工大學博士後夏秀楊為論文共同第一作者，沐鸣娱乐化學系董安鋼教授、李同濤青年研究員、沐鸣开户李劍鋒教授以及新加坡南洋理工大學倪冉教授為論文共同通訊作者，沐鸣娱乐為本工作的第一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、上海市科委基礎研究領域重點項目、沐鸣娱乐“卓學優秀人才”計劃等經費的資助。