近日，《美国科学院院刊》（PNAS）和《自然·通讯》（Nature Communications）相继刊登我校物理科学与技术学院丁涛课题组利用偏振光场诱导手性纳米超结构生长的研究成果。武汉大学为唯一通讯单位，物理科学与技术学院2020级博士生卢晓林为两篇论文的第一作者。
手性纳米结构的构筑对于二维材料谷极化度的调控、生命手性起源的理解，以及手性催化和手性药物的筛分都具有重要的理论和应用价值。传统化学或物理手段构造的手性纳米结构存在均一性和有序性较差，加工条件苛刻复杂，制备成本较高等问题。而且这些手段普适性较差，通常只适用于某一类材料体系。
丁涛课题组在手性结构构筑和手性分子传感方面做了一系列有益的尝试，例如通过光学热泳力辅助光化学生长得到了具有光学活性的枝化银纳米线（ACS Nano 2021, 15, 16404）；利用光热效应辅助金纳米颗粒的不对称熔合形成金纳米颗粒的手性聚集体 （Laser Photon.Rev. 2022, 16, 2100526）。虽然这些方法能够简单便捷地形成手性纳米结构，但是得到对映体的选择性和可调控性均较差。
针对以上若干问题，丁涛课题组利用无机光化学相关原理，结合光场偏振态的调控技术，实现了几类典型金属和无机非金属材料手性纳米结构的光学可控生长。通过调节矢量光的偏振态可以对复合结构的手性特征和手性光学强度进行调控（图1）。这些二维和三维手性纳米结构可以用作手性分子的超灵敏检测，宽波段的手性超表面和手性发光体，为其在手性分子检测与分离、手性发光器件、手性光电探测等方面的应用打下了重要基础。
图1 偏振光场诱导下的手性和复杂组装纳米结构概念图
在PNAS论文中（PNAS 2023, 120, e2216627120），团队详细介绍了以PtO为首的几类典型无机半导体材料在偏振偶极诱导下的取向生长过程。在偏振光场作用下，PtO纳米颗粒在动力学上更倾向于取向排列生长，形成椭圆形的柱状结构（图2a）。通过在同一位点多次改变偏振方向可以得到螺旋扭曲的纳米柱结构（图2b,c）。随着螺旋度的增加，其光学手性逐渐加强（图2d）。在矢量偏振光场作用下，PtO纳米颗粒能够组装形成更为复杂的图案（图2e，f），在可见光范围内表现出较宽的手性光谱（图2g）。
图2 偏振光场诱导PtO手性纳米结构的构筑及其光学活性
在Nature Communications论文中（Nat.Commun. 2023, 14,1422），团队主要介绍了以金为代表的等离激元手性超结构。在该体系中，光学近场增强的生长模式对于偏振诱导取向生长起到了关键作用（图3a, b），利用矢量偏振光场也可以得到手性等离激元纳米结构（图3c,d）。这种等离激元手性超结构展现出较强的超手性场和光学活性（图3e），对手性分子展现出较大的光谱不对称因子（图3f），适用于不同手性分子的光学检测。该方法同样适用于多种介质材料手性超结构的可控生长，但是其手性光学强度要比等离激元手性超结构要弱。
图3 矢量偏振光场诱导等离激元手性纳米结构的构筑及其在手性分子光学传感方面的应用
据悉，丁涛课题组基于对物理和化学基础学科的积累、材料和工程学科的技术运用形成了独具特色的交叉科学研究。丁涛课题组与兄弟学院课题组长期以跨学科合作形式推进各自学科的发展以及学科的交叉融合，通过组织学生开展联合研讨会和研究生学术论坛，构建了以需求驱动的优势互补课题为主导，跨学科/院系的研究生联合培养新模式，课题组多位在读和已毕业的研究生获得了国家奖学金和武大创新奖学金。
PNAS论文为直接投稿（direct submission），相关研究工作受到自然科学基金（11974265）和国家重点研发计划（2020YFA0211300）资助。武大纳米中心，电镜中心和超算中心对相关材料的表征和计算提供支撑服务。
论文链接：
PNAS：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216627120
Nature Communications：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37048-0
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