科学家制备仿钻石超结构，兼具光物理性能和光催化性能，可用于构建纳米尺度的电子器件

近日，西湖大学刘志常研究员和团队，研发出一款名为 π-Diamond 的基于卟啉的组装超结构。

图 | 刘志常（来源：刘志常）

其具备优异的光物理性能和光催化性能，有望进一步开发具有生物相容性的金刚石超结构，从而作为光敏剂以用于光动力治疗癌症等。

研究中，课题组还尝试将本次成果用于光催化染料降解，基于此他们认为 π-Diamond 或许在光催化制氢领域也具有一定应用价值。

此外，由于 π-Diamond 采用纳米结构，因此也有潜力在纳米电子学和分子电子学中发挥作用，例如作为分子导线使用、或用于构建纳米尺度的电子器件。

同时，π-Diamond 是通过非共价相互作用自组装而成，因此通过进一步的设计开发，它或许也能成为一种具有自修复特性的功能化材料。

化学界缘何热衷“模仿”钻石？

据介绍，此前该团队发现目前构建高维功能性超结构的策略，仍然需要多重弱相互作用的协同调控。

这不仅需要准确设计组装基元的结构，同时也需要精准调控多重弱相互作用，以便实现空间上的协同互补。

如果只利用单一的弱相互作用，尤其利用 π- 相互作用构筑三维超结构则会十分困难，因为 π- 系统的堆积模式仅为一维或二维。

而在 2021 年，该课题组基于分子张力工程策略，利用张力精准调控分子构象，实现了纯 π- 相互作用驱动的离散双壁四面体的构筑。

而基于四面体的构筑，他们在本次研究中侧重于四面体的三维拓展，旨在探索纯 π- 相互作用驱动的三维超结构的构筑。

对于有机化学家和超分子化学家而言，四面体是一个非常诱人的结构，正如他们论文里所写：“钻石的分子结构中 sp 3 杂化的碳原子的空间结构就是一个四面体结构。”

钻石，是一个具有特殊意义的物质。不仅如此，钻石的高硬度、优良的导热性和电绝缘性、以及优异的光学性质，使它在科学研究和实际应用中具有重要的地位。

许多化学家都在致力于打造与钻石结构相似的金刚石结构，以便合成性能多样化的类金刚石功能性材料。

纯 π- 相互作用驱动的金刚石超结构

此前，当课题组使用分子张力工程策略，完成离散四面体的纯 π- 相互作用驱动组装之后，他们便开始思考这样一个问题：

离散四面体是否可以像金刚石中的碳原子一样三维无限延伸，得到金刚石超分子网络？

如果可以的话，其中一个四面体可被视为是一个碳原子，π- 相互作用便是金刚石结构中的碳碳 σ 键。

经过结构对比，他们设想在原来分子弓的基础上，在卟啉的另一侧引入第二条弓弦，使得组装形成的四面体四个面的外侧，保留一条弓弦用于桥连相邻的四面体，从而实现三维无限延伸得到金刚石超结构。

随后，课题组设计了合成张力组装基元（trans-o-DB），并且得到了它的晶体结构。然而，遗憾的是最初设计的组装基元并没有发生三维组装。

通过理论计算和晶体结构分析，他们发现由于设计的组装基元张力较大，二面角偏小、仅为 53 度，和理论上正四面体二面角的71度相差很大。

这就导致在组装过程中，上述组装基元仅发生了二聚，无法像以往研究一样得到四聚体，也就是无法得到四面体结构。

于是，他们开始思考：是否可以通过释放一部分张力，放大组装基元的二面角。

通过结构模拟优化之后他们发现：当张力缩小以后，组装基元的二面角可放大至 66 度。

“这令我们十分兴奋，因为这个二面角和 71 度较为接近，非常有可能实现四面体的三维延伸，从而得到三维金刚石网络。”刘志常说。

最后，在团队成员的努力之下，他们成功合成了优化后的张力组装基元（trans-m-DB）。

并利用扫描电镜和单晶 X 射线衍射发现：上述组装基元在结晶过程中确实发生了三维组装。

并且真的如他们所设想的一样：在纯 π- 相互作用的驱动下，组装基元通过发生四聚形成了四面体。

再通过额外引入的弓弦，每个相邻的四面体可以通过共享一个组装基元，从而在三维方向进行无限延伸，最终实现金刚石超分子网络的构筑。

而由于这个金刚石超结构是纯 π- 相互作用驱动的，所以他们把它命名为 π-Diamond。

最终，相关论文以《π-Diamond：π- 相互作用驱动的金刚石超结构》（π-Diamond: A Diamondoid Superstructure Driven by π-Interactions）为题发在 Angewandte Chemie International Edition（IF 16.1）。

Kejiang Liang 是第一作者，刘志常担任通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）

接下来，针对 π-Diamond 课题组会继续探索不同组装基元的结构设计，以优化它的稳定性、荧光量子产率和光催化效率。

当然，他们也会重点关注这种纯 π- 相互作用驱动三维超结构的组装策略，基于不同 π- 平面设计开发具有适宜二面角的组装基元。

例如，90 度二面角可用于组装形成立方体、116 度可用于组装形成十二面体等等。

而通过引入分子张力固定构象，则有望实现三维超结构的多样化组装，推动分子张力工程策略在超结构组装领域的普适化应用。

此外，在化学科学和材料科学领域，众多研究团队已经开始探索 AI 在结构筛选和模拟预测方面的潜力。

他们也计划利用 AI 技术进行结构设计和超结构的预测组装。目前，他们面临的主要挑战是数据量的不足。

该团队认识到，只有积累足够的研究成果和数据，AI 深度学习算法才能发挥其最大效用。

因此，他们正致力于收集和整理相关数据，为未来的 AI 应用打下坚实基础。

随着数据的积累和 AI 技术的进步，他们相信深度学习将在设计功能性超结构方面发挥关键作用。

这不仅将极大地提高设计效率，还将使他们能够更快速地发现和开发具有特定性能的新型超结构材料。

在美师从诺奖得主，并参与创办初创企业

另据悉，刘志常博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所，后于 2010 年 6 月加入美国西北大学詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（J. Fraser Stoddart）教授课题组从事博士后研究。

刘志常说：“我在那里度过 99 个月的宝贵时光，这段时间正好涵盖了 Stoddart 教授荣获 2016 年诺贝尔化学奖前后的整个历程。”

刘志常表示，Stoddart 教授经常教导他要坚持“做自己的事情”和解决“大问题”。

Stoddart 教授对年轻人的支持更是显著，无论是他自己的学生还是其他年轻科学家，只要他们寻求帮助，他总是乐意施以援手。

“他对待类似于资深教授对初级教授的霸凌行为更是深恶痛绝。这些宝贵的教诲至今仍深深铭刻在我心。”刘志常说。

而在美国期间，凭借黄金绿色提取技术刘志常获得了由英国化学工程师协会颁发的“北美洲化学工程项目创新与卓越贡献奖”和“可持续技术创新与卓越贡献高度推荐奖”。

目前，该技术已获美国专利和国际专利授权。依托该技术，刘志常作为联合创始人和股东成立了一家公司。

这家公司名为“Cycladex”，如今 Cycladex 已经成功开发出一系列先进技术，并将其用于分离重要金属，包括金、银、以及最新的锂处理工艺之中。

“这些技术已经在位于美国的示范工厂得到了广泛应用，显示出显著的成本降低、使用环保化学品以及出色的产量。”刘志常说。

他继续说道：“Cycladex 不仅先后获得了两期美国国家科学基金会的小型企业创新研究计划资助，还成功进行了数轮融资。”

2018 年中，刘志常作为西湖大学理 学院创院第一位 化学方向独立实验室负责人， 加入西湖大学成立了超分子有机功能组装体实验室，致力于开展独特且原创的分子张力工程研究。

五年多来，他和目前团队在基于分子弓的分子张力工程领域取得了不少进展，发现了张力作用下分子和官能团超分子组装及反应性质的多个未知领域。而基于这些成果，他和课题组仍将开展更多研究。

参考资料：

1.Liang, K., Liang, Y., Tang, M., Liu, J., Tang, Z. B., & Liu, Z. π‐Diamond: A Diamondoid Superstructure Driven by π‐Interactions. Angewandte Chemie International Edition, e202409507.

运营/排版：何晨龙

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关键词： 光催化 物理性能 电子器件