物质学院科研人员研发出基于电子晶体学的手性确认新方法
文章来源:SPST
发布日期:2017-05-03
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我校物质学院助理教授马延航、特聘教授Peter Oleynikov和电镜中心主任Osamu Terasaki合作,研发出两种基于电子晶体学的手性确认新方法,成功实现了对纳米尺寸晶体的手性确认,相关成果于5月1日以“Electron crystallography for determining the handedness of a chiral zeolite nanocrystal”为题在国际顶尖期刊《Nature Materials》上在线发表。马延航为第一作者,Peter Oleynikov和Osamu Terasaki为通讯作者,上海科技大学为第一单位。

如果一个物体的本身无法跟它的镜像重合,我们就说这个物体具有“手性”(handness)。 手性在自然界中广泛存在,比如在生物界,人类的手、海螺的螺壳都具有明显的手性特征。手性同样存在于微观世界中,许多分子都具有手性,非手性的分子通过相互作用也可以形成手性排列。

在晶体学中,手性结构是指具有手性空间群的结构,而单个晶体手性结构的确认一般是通过单晶X射线衍射来完成。由于吸收的存在,X射线与物质相互作用时会发生反常散射,造成弗里德尔衍射对(Friedel pair)的强度差异,而两种手性结构产生的强度差异正好相反。因此,通过准确测量大量衍射对的强度,即可确定手性晶体的绝对结构(absolute structure)。然而,X射线法只适合尺寸大于5微米的单晶,对于颗粒较小或存在缺陷的材料则无法表征,因此在实际应用中存在很多限制。可是,如果不能对手性结构进行表征,合成单一手性的材料以及实现材料的对映选择性应用也就无从谈起。

马延航和他的合作者们经过努力,突破了上述研究难点,开发出两种基于电子晶体学的手性确认新方法,成功实现了纳米尺寸晶体的手性确认:第一种方法是在透射电镜中利用晶体旋转,沿着不同晶带轴拍摄同一个晶体的高分辨图像,通过对比旋转前后图像的变化,确定晶体的手性结构;第二种方法是利用旋进电子衍射,沿着特定带轴收取系列旋进电子衍射花样,通过比较高阶劳厄区衍射点强度的差异,确定晶体的手性结构。

该项成果突破了使用单晶X射线衍射方法的限制,为手性结构的确认提供了新的研究手段和技术方法,在手性材料的研究中有着非常重要的科学意义和应用价值。

上述两种方法提出之后,我校科研人员与加州理工学院教授Mark E. Davis课题组合作,将新方法运用在手性分子筛的结构确认上,确认了通过特定设计的模板剂可以合成出单一手性富集的纳米分子筛,同时证实该分子筛在手性催化和分离中有着一定的效果,相关成果发表在《PNAS》上。

上述两项研究均得到上科大科研启动经费的支持。

《Nature Materials》论文链接:https://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4890.html

《PNAS》论文链接:http://www.pnas.org/content/early/2017/04/25/1704638114


手性分子筛沿(a)[2-1-10]和(b)[1-100]的高分辨透射电子显微图像,(c)和(d)对应(a)和(b)的傅里叶过滤图像。 手性分子筛沿[0001]的(e)模拟和(f)实验旋进电子衍射花样