Chem. Mater.┃介孔二氧化硅十二重准晶：从硬球堆积到软球堆积的新途径

英文原题：Dodecagonal Quasicrystals in Mesoporous Silica: A New Route from Hard to Soft Sphere Packings

通讯作者：韩璐，同济大学；Nobuhisa Fujita，东北大学

作者：Yangyang Wang (王阳阳), Quanzheng Deng (邓权政), Nobuhisa Fujita, Lu Han (韩璐)

准晶由于其准周期结构特性和独特的物理性质引起了人们的广泛关注。准晶不仅存在于合金相中，在多种软物质系统如树枝状聚合物、嵌段聚合物液晶结构、胶体无机纳米粒超晶格及介孔二氧化硅中也都被发现存在。然而，目前介观尺度准晶结构的合成条件还没有得到充分阐明。

为了探究介观结构准晶相的合成原理及结构调控方法，同济大学韩璐教授团队与日本东北大学Nobuhisa Fujita博士合作，以双季铵头阳离子表面活性剂为模板，羧乙基硅三醇钠盐为共结构导向剂，正硅酸乙酯为硅源，合成了介孔二氧化硅十二重准晶。结果表明，随着共构导向剂浓度的逐渐降低，二氧化硅由硬球堆积的立方密堆结构转变为立方/六方密堆复合结构，进而转变为四面体堆积笼状介观结构形成的准晶纳米颗粒，并且准晶相的粒径大小可以根据共结构导向剂添加量予以调控。

图1 介观结构从硬球堆积向软球堆积的准晶相转变

图2 实验条件对准晶颗粒的粒径控制及结构分析

电子显微学结构解析发现，其十二重对称性来源于笼状胶束以不同的多面体 ([5¹²]、[5¹²6²]和[5¹²6³]) 排列组合后形成的正方形和三角形组成半正镶嵌图产生的。其三角形/正方形比例接近于理论值(4/√3 ≈ 2.31)，并通过线性相位子的计算对样品结构的准周期性进行了定量评价。

表1. 所得准晶结构的相位子计算结果。

图3 结构转变及合成机理示意图

这些结构变化可归因于溶液中结构的组装单元——表面活性剂球形胶束/共结构导向剂/二氧化硅组装体的相互作用及排列。共结构导向剂作为有机模板与无机前驱体之间的连接剂，在控制复合粒子中有机/无机界面的柔性并使组装单元进行最小表面化的软球四面体密堆结构方面起着关键作用。该研究结果与最近预测十二重准晶干泡沫稳定性显示出很强的关联性。在此工作基础上，通过调节表面活性剂/共结构导向剂/无机物种之间的相互作用，有望获得在所有方向上完全准周期的二十面体对称准晶结构。这项工作将为介观结构的调节及准晶结构的形成和结构控制提供新的见解。

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Dodecagonal Quasicrystals in Mesoporous Silica: A New Route from Hard- to Soft-Sphere Packings

Yangyang Wang, Quanzheng Deng, Nobuhisa Fujita*, Lu Han*

Chem. Mater., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c01382

Publication Date: May 27, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

通讯作者介绍

韩璐，同济大学教授，2006年获上海交通大学理学学士学位，2010年及2011年分别获得斯德哥尔摩大学及上海交通大学博士学位，2011年入职上海交通大学，2017年加入同济大学。主要研究方向为介观结构材料的合成及电子显微学结构研究，五年内以一作及通信联系人发表 SCI 论文三十余篇。2013年度获全国优秀博士学位论文奖，2014年度教育部自然科学奖一等奖(第二完成人)，2019年获国家优秀青年科学基金项目。

https://www.x-mol.com/university/faculty/12546

Dr. Nobuhisa Fujita (born in Wakayama, Japan, in May 1972) received B.S., M.S., and D.S. (equivalent to Ph.D) in theoretical condensed matter physics from Tohoku University, Japan, in 1995, 1997, and 2000, respectively. From 2000 till 2005, he continued his research with a few postdoc contracts in Japan, Russia, and Sweden. Since 2005, he was appointed an assistant professor position in IMRAM, Tohoku University. His research interests include but not limited to theoretical and experimental studies on the structural and physical properties of quasicrystalline materials and mesoporous materials, with a focus on the higher-dimensional description of these materials.

（本稿件来自ACS Publications）