金属簇自组装构建兼具刚柔特性的手性光子晶体新材料

研究人员通过精确设计原子级金属簇(NAu3Ag和DAla-NAu3Ag)的自组装行为，成功构建了具有类脂质体形态但机械强度显著提升的"金属簇体"(metal clustersomes)。该研究利用β-环糊精(β-CD)实现尺寸调控，并首次将手性转移至胶体光子晶体系统，为开发新型光学功能材料提供了创新思路。相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在材料科学领域，如何将金属纳米材料的优异性能与软物质的柔性特征相结合，一直是研究者面临的重大挑战。传统脂质体(liposomes)和聚合物囊泡(polymersomes)虽然具有良好的形态可控性，但其机械强度往往局限在兆帕(MPa)量级；而无机空心颗粒虽具备较高刚性，却难以实现精确的尺寸调控和功能化修饰。这一矛盾严重制约了新型功能材料的开发应用。

针对这一关键科学问题，郑州大学的研究团队创新性地提出"金属簇体"(metal clustersomes)的概念。他们选择具有单修饰位点的金银簇OAu₃Ag(dppy)₃₂作为前体，通过金刚烷(adamantane)修饰获得NAu₃Ag，并进一步引入丙氨酸(Ala)构建手性簇^DAla-NAu₃Ag。研究人员采用溶剂交换法实现了这些金属簇的自组装，成功制备出兼具软物质形态和刚性特征的纳米结构。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究主要采用了以下关键技术：1) 溶剂交换自组装法构建金属簇体；2) β-环糊精主客体识别实现尺寸调控；3) 低温透射电镜(cryo-TEM)表征空心结构；4) 原子力显微镜(AFM)测定力学性能；5) 小角X射线散射(SAXS)解析组装结构；6) 圆二色光谱(CD)和圆偏振发光(CPL)表征手性光学性质。

【NAu₃Ag和^DAla-NAu₃Ag簇及其自组装金属簇体】

研究发现，金刚烷修饰有效抑制了OAu₃Ag中存在的金-金亲和作用(aurophilicity)，促使簇分子通过疏水作用自组装形成直径约74.8-96 nm的空心球体。高分辨电镜显示其壁厚为6-15 nm，具有典型的脂质体形态特征。

【β-CD复合研究】

通过核磁滴定和ROESY实验证实，β-CD与金刚烷基团的特异性识别(K=5.2×10³ M^-1)可实现簇体尺寸的精确调控。当NAu₃Ag/β-CD摩尔比从1:0增至1:4时，簇体直径逐渐减小；而超过1:5比例后，过量β-CD会掺杂进入簇体壁导致尺寸反弹。

【结构分析】

SAXS数据拟合表明，金属簇体符合囊泡(vesicle)模型。掠入射X射线散射(GIXS)显示，β-CD的加入增强了分子堆积的有序性，这为理解尺寸调控机制提供了结构基础。

【力学性能与胶体光子晶体应用】

AFM力谱测定显示，金属簇体的杨氏模量高达16-20 GPa，远超传统脂质体。基于这一特性，研究人员首次将金属簇体作为构建单元，通过垂直沉积法制备了结构色可调的胶体光子晶体，并实现了手性光学性质的转移。

该研究开创性地将金属簇的刚性特征与软物质的形态可控性相结合，提出了"金属簇体"这一全新概念。通过主客体化学实现尺寸精确调控，并成功将手性光学性质拓展至宏观材料体系，为开发新型光学器件、生物医用材料等提供了全新思路。特别是其独特的力学性能(16-20 GPa)填补了传统软物质材料与无机材料之间的性能空白，展现出广阔的应用前景。