华南理工大学研究团队发现了一种由分子五边形构成的超分子胶束，这些胶束能够自组装形成一类独特的超晶格结构。其中，一种超晶格结构超越了所有已知金属合金的相态，因全球首次发现被命名为相。相关成果于2月1日发表在《自然-材料》。华南理工大学为论文第一署名单位和通讯单位。
“这一发现预示着，软物质组装作为一种材料构建策略，具备超越传统金属结构限制的潜力，让新的人工材料的性能开发出现更多可能，为开发基于非金属原型的‘软合金’奠定了坚实的基础。”论文第一作者兼共同通讯作者严笑云博士表示，相的形成源于分子五边形胶束自然倾向于展现某种非球形特征，这是其他球形体系，甚至是具有不同对称性的同系列分子都不具备的特性。
据介绍，研究人员首先通过模块化合成方法制备了一系列盘状分子，这些分子拥有精确定义的化学结构和对称性。这些分子的中心由具有不同对称性的核心构成，并通过点击化学反应在外围引入了修饰有疏水性柔性链的笼形聚倍半硅氧烷。
在实验中，通过热退火处理诱导这些盘状分子组装成超分子胶束，这些胶束由内部的芳环和外部的饱和烷烃链构成，并进一步自组装形成周期性的超晶格结构。由于这些胶束在其组装过程中的作用类似于金属晶体中的原子，因此被称为“介观原子”。
严笑云表示，μ相是1935年在铁钨合金中首次发现的结构，在高温合金领域仍占有重要地位，此次是该相在软物质中的首次发现。低温下的结构既通过小角散射也通过电镜无法与已知结构对应。为了解析这一低温结构，作者捕获到了相转变的中间态，并辅以多种模拟方法，最终成功推断出了低温相的结构，并将其命名为相。
μ相和相均属于Frank-Kasper（FK）相，这是一类重要的合金结构。FK晶体结构的特点是仅由四面体空隙构成，完全由12、14、15、16配位的四种微环境在三维空间中排列组合而成。这类结构的紧密堆积使得其在冶金工业中以高硬度著称，同时也常成为软物质及其他材料堆积的优势结构。
从金属到肥皂泡，过去百年里，FK相在从原子尺度到宏观尺度的不同材料中不断被发现，目前已经确认了28种。相成为FK家族中的最新成员，也是首次在非金属体系中发现的球堆积结构。更重要的是，相填补了FK结构类群中的一个重要缺口。
由于配位环境的限制，FK结构的某些特征晶面可以被看作是简单几何结构的排列组合。所有FK相均由三类基本FK相结构（A15、C15和Z相）的密铺形式组成。该研究中新发现的?相完美地填补了金属中已知的σ相与pσ相之间的空白。相在金属结构中的空缺也暗示了自组装结构在新结构构筑上的独特维度。
该研究还强有力地证明了非凡的全局效应可以通过简单的分子几何设计来实现。同时说明了正因为由于软物质的特性，他们的“介观原子”比金属原子具有对体积和形状不对称性有更大的容忍度，所以可以预见会有更多新的FK相结构在不久的将来能够被人们所发现和认识。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01796-7
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