【最新科研】新兴的手性二维材料

张明 2024-08-28

近日，上海交通大学化学化工学院崔勇教授团队受邀在Nature Chemistry期刊发表前瞻性论文“Emerging chiral two-dimensional materials”。

论文重点介绍了手性二维材料的合成策略、界面表征方法以及潜在的应用，并为这个新兴领域的未来提供了更多选择和挑战。上海交通大学化学化工学院、变革性分子前沿科学中心和金属基复合材料国家重点为第一且唯一通讯单位。论文由董金桥副教授、刘燕教授和崔勇教授共同撰写。

自2004年石墨烯被报道后，二维材料(2D Materials)的发展十分迅速，如过渡金属硫化物、氮化硼、沸石、金属氧化物、黑磷、钙钛矿、团簇类烯、二维金属-有机框架以及二维有机多孔聚合物等。这些材料与石墨烯具有相似的结构特点，但在元素组成上不尽相同，因此也具有各自的独特性能，并在光电器件、传感、催化、能源转化、分子识别和分离等领域表现出广阔的应用前景。虽然二维材料得到了广泛关注，但关于手性二维材料的研究却鲜有涉及，目前该领域尚处于起步阶段。研究二维材料中的手性现象不仅对手性催化、手性识别与分离、化学传感器等领域具有重要指导意义，还在探索生命物质手性起源等方面至关重要。相比手性小分子、手性超分子、一维手性螺旋结构以及三维手性多孔结构，二维手性层状结构因其超高的比表面积及其独特的化学和物理特性，成为备受关注的材料，并为新一代光学活性系统和光电子器件的功能材料提供了巨大潜力。然而，由于当前将分子手性引入二维结构的难度较大，具有特定功能的二维手性材料的研究仍相对稀缺。因此，探索手性二维材料的制备、结构与性能，已成为突破这一科学瓶颈的新途径。

上海交通大学崔勇教授团队在国际上率先开展手性二维材料的可控制备与应用。如构筑了系列手性二维共价有机框架（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12332-12335；Nat. Commun. 2018, 9, 1294；J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7081-7089）；手性二维金属-有机框架（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 17685-17695；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3509-3518）。在2022年，该团队在国际上首次成功制备了自支撑手性二维单层分子晶体，并清晰观察到手性表面的微纳结构（Nature 2022, 602, 606–611）。

鉴于手性2D材料在过去五年的迅速发展，该前瞻性论文系统的总结了基于分子组装的手性2D材料，着重介绍了五大类手性2D结构：包括手性二维金属-有机框架（Chiral 2D MOFs）、手性二维共价有机框架（Chiral 2D COFs）、手性二维分子组装体（Chiral 2D molecular assemblies）、手性二维钙钛矿（Chiral 2D perovskites）以及手性二维蛋白结构（Chiral 2D proteins）（如图1所示）。论文主要探讨了这些二维材料的构筑方式、剥离方法、微纳界面结构的表征和潜在的应用。讨论了手性在二维结构的长程传递和放大过程以及与性能之间的内在联系。这些研究结果为表界面手性调控提供了新途径，明确了分子在二维结构中的有序手性聚集和放大机制，并为手性二维材料在不对称催化及手性分离等领域的应用提供了基础。论文最后提出了手性二维材料存在的科学挑战以及未来可能的研究方向，例如构筑柔性二维金属-多肽框架材料有望解决手性膜分离及仿生跨膜传输领域的重大挑战。