近日，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院韓璐教授團(tuán)隊(duì)在光子晶體領(lǐng)域取得重大突破，成功實(shí)現(xiàn)了單金剛石（SD）曲面二氧化鈦骨架的自組裝構(gòu)筑，這一成果被譽(yù)為光子晶體結(jié)構(gòu)的“圣杯”。相關(guān)研究論文已發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）。

       單金剛石（SD）曲面結(jié)構(gòu)，常見于甲蟲和象鼻蟲的外骨骼中，其獨(dú)特的負(fù)高斯曲率曲面與立方金剛石晶格網(wǎng)絡(luò)的完美結(jié)合，賦予這些昆蟲絢麗的結(jié)構(gòu)色，SD結(jié)構(gòu)具有迄今報(bào)道的最寬的完全光子帶隙，并且可以利用已知材料在約1.9的介電常數(shù)對(duì)比度條件下輕松實(shí)現(xiàn)完全光子帶隙，其卓越的光學(xué)特性使其在諸如光子晶體、光捕獲應(yīng)用、光波導(dǎo)和激光諧振器等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，SD作為一種熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，其人工制備一直是科學(xué)界面臨的難題。

       韓璐教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的雙重協(xié)同調(diào)控作用，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)SD結(jié)構(gòu)的高效制備。他們利用聚環(huán)氧乙烷-b-聚苯乙烯（PEO-b-PS）共聚物與TiO2前驅(qū)體在特定溶劑中的協(xié)同自組裝過(guò)程，通過(guò)精確控制條件，使TiO2低聚物在成核位點(diǎn)處富集并生長(zhǎng)，最終形成了獨(dú)立的SD結(jié)構(gòu)域。經(jīng)過(guò)煅燒去除聚合物模板后，得到了具有高度有序的SD介觀結(jié)構(gòu)和銳鈦礦晶型的TiO2骨架。

圖1. SD骨架合成策略示意圖

       該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)手段對(duì)SD骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征。小角X射線散射和廣角X射線衍射結(jié)果表明了樣品的高度有序性；掃描電鏡和透射電鏡的觀察進(jìn)一步證實(shí)了SD結(jié)構(gòu)的存在和高度有序性；電子晶體學(xué)三維重構(gòu)所得靜電勢(shì)密度分布則證明了SD結(jié)構(gòu)的四連接構(gòu)型。此外，計(jì)算結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)具有完全光子帶隙，為其在光子晶體等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

圖2. SD骨架結(jié)構(gòu)焙燒前后的結(jié)構(gòu)表征

圖3. SD骨架的透射電子顯微分析及三維結(jié)構(gòu)解析

圖4. SD骨架結(jié)構(gòu)的光子帶隙圖

       韓璐教授表示，這一研究成果不僅解決了自組裝領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)所追求的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)的合成難題，而且為制備其他熱力學(xué)非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)提供了新的思路和方法。該方法在自組裝、仿生材料、下一代光學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要意義。隨著這一“圣杯”結(jié)構(gòu)的成功制備，相信未來(lái)光子晶體領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)更多的突破和創(chuàng)新，為人類科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)更多可能性。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2318072121