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華南理工殷盼超教授 Angew 綜述：基于X光和中子散射的溶液結(jié)構(gòu)研究
2023-10-01  來源：高分子科技
  近數(shù)十年來，無機(jī)納米科學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展并取得了豐碩的研究成果。無機(jī)納米材料具備寬泛可調(diào)的化學(xué)組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)，已在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出極為廣闊的應(yīng)用前景。可溶性無機(jī)納米材料（SoINs）作為其中的一個(gè)重要分支，“可溶解”是其區(qū)別于其他無機(jī)納米材料的最根本屬性，也為此類材料的可控制備、大規(guī)模加工以及特定功能的實(shí)現(xiàn)提供了極大的便利。本綜述中，作者不單單局限于能溶解在傳統(tǒng)小分子溶劑中的無機(jī)納米材料，而將SoINs的概念進(jìn)一步擴(kuò)展至更為豐富的無機(jī)-有機(jī)雜化和聚合物納米復(fù)合材料體系。對(duì)SoINs的結(jié)構(gòu)研究有助于深入認(rèn)知其制備、加工、服役等場景下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，對(duì)于定量建立其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系圖譜至關(guān)重要。然而，SoINs的結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，橫跨多個(gè)時(shí)空間尺度，加之其在大多場景下展現(xiàn)出的非晶無定形結(jié)構(gòu)特征，使得傳統(tǒng)的表征手段往往收效甚微。 


圖1. 不同X光和中子散射技術(shù)的q范圍及其對(duì)應(yīng)的空間尺度


  不同于“所見即所得”的實(shí)空間電子顯微成像技術(shù)，散射方法以光波（X光、中子等）為媒介，得到的是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在倒易空間的有效呈現(xiàn)。通過協(xié)調(diào)超小角、小角、廣角散射等測試模式，可以在亞納米到微米的空間尺度探測SoINs的復(fù)雜結(jié)構(gòu)信息。與此同時(shí)，由于X和中子與物質(zhì)的作用方式有所不同，因此X-射線散射與中子散射能夠提供襯度互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)信息。X-射線吸收譜學(xué)作為散射方法的有力補(bǔ)充，該技術(shù)的發(fā)展使得我們能夠進(jìn)一步明確SoINs的局部幾何及更為精細(xì)的電子結(jié)構(gòu)（圖1）。更為關(guān)鍵的是，現(xiàn)代同步輻射、中子源等大科學(xué)裝置所帶來的超高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)時(shí)在線研究復(fù)雜外場下SoINs多尺度結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為機(jī)制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。 


圖2. 基于X光/中子譜學(xué)技術(shù)的SoINs材料時(shí)空雙維度研究


  本綜述系統(tǒng)梳理了近年來X光/中子譜學(xué)技術(shù)在SoINs的時(shí)空雙維度研究方面的相關(guān)進(jìn)展。作者首先簡明扼要地介紹了散射/吸收技術(shù)的基本原理、并對(duì)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理規(guī)范等給出了一定參考意見。而后，聚焦于結(jié)構(gòu)明確的分子簇及其雜化模型體系（主要以多金屬氧酸鹽、金屬有機(jī)多面體為代表），回顧了利用X光與中子表征方法探測此類模型材料的靜態(tài)結(jié)構(gòu)信息以及實(shí)時(shí)追蹤其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變過程的經(jīng)典案例（圖2）。最后，作者探討了這一領(lǐng)域所面臨的困難與挑戰(zhàn)，并對(duì)未來的發(fā)展方向提出了理性的看法和展望。總體而言，X光/中子技術(shù)在復(fù)雜材料體系的多時(shí)空結(jié)構(gòu)解析方面具有諸多獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，盡管本綜述中作者僅對(duì)一些代表性的研究案例進(jìn)行了總結(jié)。有理由相信，此類表征方法在材料科學(xué)、化學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、能源安全等領(lǐng)域會(huì)有更加廣闊的天地。該綜述有望幫助更多的科研同行了解X光/中子技術(shù)，以便更好地選擇合適的X光/中子表征方法，進(jìn)而助力相關(guān)領(lǐng)域革新與發(fā)展。


  本文以“Spatiotemporal Studies of Soluble Inorganic Nanostructure with X-ray and Neutrons”為題發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》。該論文主要完成人為華南理工大學(xué)博士后尹家福和歐洲同步輻射Lucia Amidani博士。華南理工大學(xué)博士生陳家董、賴鈺妍、薛炳輝以及深圳綜合粒子研究院李牧博士為本綜述的撰寫做出了重要貢獻(xiàn)。本文通訊作者為歐洲同步輻射Kristina Kvashnina教授、美國俄勒岡州立大學(xué)May Nyman教授和華南理工大學(xué)殷盼超教授。本工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目以及博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等基金項(xiàng)目的支持。


  文章信息：Jia-Fu Yin, Lucia Amidani, Jiadong Chen, Mu Li, Binghui Xue, Yuyan Lai, Kristina Kvashnina*, May Nyman*, Panchao Yin*. Spatiotemporal Studies of Soluble Inorganic Nanostructures with X‐rays and Neutrons. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310953.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202310953


  殷盼超課題組基于X光和中子散射大科學(xué)裝置研究復(fù)雜材料體系尤其是聚合物納米復(fù)合材料的構(gòu)效關(guān)系。歡迎對(duì)于X光和中子散射或者材料構(gòu)效關(guān)系研究感興趣的青年學(xué)者加入，學(xué)校和課題組為入站博士后提供具備競爭力的薪酬待遇和科研啟動(dòng)資金。課題組網(wǎng)站：https://www2.scut.edu.cn/panchaoyin/聯(lián)系郵箱：yinpc@scut.edu.cn
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（責(zé)任編輯：xu）
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