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​前沿|手性又发Nature：两院院士Nicholas Kotov教授，3年5篇NS正刊！
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​前沿|手性又发Nature：两院院士Nicholas Kotov教授，3年5篇NS正刊！

​前沿|手性又发Nature：两院院士Nicholas Kotov教授，3年5篇NS正刊！ 两江科技评论
2023-03-17
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导读：在复杂结构中自组装的能力是所有纳米粒子的固有特性，就像自然界中的生物一样，无一例外。

在复杂结构中自组装的能力是所有纳米粒子的固有特性，就像自然界中的生物一样，无一例外。令人兴奋的是，由于纳米粒子的高流动性，这种特性不仅出现在分散体中，在固态下也会观察到类似的特性。
今天要向大家介绍一位在仿生纳米结构领域的超级大牛：Nicholas Kotov教授。他，是美国两院院士，中国长江学者。2020年至今，3年时间已发表5篇Nature/Science正刊，最重要的是为我国培养了大批人才，其中4篇为中国青年学者一作。
今日，《Nature》在线发表了题为“Photonically active bowtie nanoassemblies with chirality continuum”的最新论文，详细介绍了Nicholas Kotov教授在控制纳米结构颗粒的扭曲程度的最新成果。
在详细解读上述工作之前，让我们来简单回顾一下Nicholas Kotov教授在3年内发表的5篇Nature/Science正刊的工作。
【三年5篇NS顶刊概览】
2022年11月28日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校陈倩教授联合密歇根大学的Nicholas A. Kotov教授展示了四面体金纳米粒子可以从从具有角对角连接的钙钛矿状低密度相转变为具有角到边缘连接和更密集堆积的风车组件。相关成果以“Chiral assemblies of pinwheel superlattices on substrates”为题发表在《Nature》上。
2022年2月4日，北京航空航天大学江雷院士、郭林教授（通讯作者）、北京大学口腔医院邓旭亮教授（通讯作者）和美国密歇根大学生物界面研究所Nicholas A. Kotov教授（通讯作者）团队合作，通过双向冷冻对齐组装形成了羟基磷灰石纳米线与聚乙烯醇交织的无定形晶间相 (AIP) 涂层，设计出一种具有多尺度高度有序HA层次结构的人造牙釉质（ATE），实现了天然牙的成分、结构（紧密有序）以及性能（力学及再矿化）的完美复刻。相关成果以题为“Multiscale engineered artificial tooth enamel”发表《Science》上。
2022年1月19日，美国密歇根大学的Nicholas A. Kotov 和江南大学的匡华和胥传来等研究者发现：非手性和左旋和右旋的仿生金纳米颗粒，在体外和体内表现出不同的免疫反应。相关论文以题为“Enantiomer-dependent immunological response to chiral nanoparticles”于2022年01月19日发表在Nature上。值得一提的是，这也是江南大学第一次以通讯单位在Nature主刊上发文。
2021年2月15日，《Science》杂志刊发了吉林大学化学学院、超分子结构与材料国家重点实验室刘堃教授研究团队和美国密歇根大学Nicholas A. Kotov教授研究团队、巴西圣卡洛斯联邦大学André de Moura教授研究团队合作论文“长程有序结构增强超分子手性表面等离子组装体的光学不对称性”（Enhancement of Optical Asymmetry in Supramolecular Chiroplasmonic Assemblies with Long-Range Order,Science,2021, DOI: 10.1126/science.abd8576），吉林大学为第一完成单位。
2020年4月9日，上海交通大学化学化工学院周永丰教授课题组的博士生江文峰与美国密歇根大学Nicholas A. Kotov教授等人合作，在顶级学术期刊《Science》上以“First Release”形式发表了题为“Emergence of complexity in hierarchically organized chiral particles”的最新研究成果。
【今日《Nature》解读】
手性结构及其调控与生命现象密切相关，是当今化学、物理、材料、生物等众多学科中重要的研究方向。
如果分子的几何形状采用两种互为不可叠加的镜像的形式，则分子被认为是手性的。1890年，瑞士化学家Philippe-Auguste Guye首先提出了这个问题：是否有些分子比其他分子更具手性？从那以后，化学家们一直渴望量化手性的程度——确定手性化合物与其镜像的不同程度，并确定这种测量与实验的关系。
Figure 1. 光波接近扭曲的金属领结并被领结形状转向。
今日《Nature》报道：可以连续调整扭曲的蝴蝶结形粒子的几何形状，并且可以使用指向遥感中可能应用的手性指数来表征。这一发现为轻松生产与扭曲光相互作用的材料开辟了道路，为机器视觉和生产药物提供了新工具。作者发现，将镉离子的简单溶液与氨基酸半胱氨酸的二聚体混合会导致微米级整体的自发出现。这些结构自组装成纳米带，堆叠成束状，缠绕在纳米带的长轴上。这些薄片无法结晶成周期性晶格，而是形成不超过一定尺寸的领结。它们向右还是向左扭曲取决于二聚体的手性（Figure 2）。
Figure 2. 概览图
半胱氨酸二聚体的一种形式，被称为L-胱氨酸，在自然界中很丰富，它的镉复合物会以一种方式扭曲，而它的镜像，被称为D-胱氨酸，会以相反的扭曲形成领结。领结也有各种样式。例如，片状的长宽比和线圈的周期性（其间距）都取决于生长条件。螺距也可以通过改变镜像胱氨酸分子的比例来调整。换句话说，一个具有可比成分的材料家族可以组装成一系列具有可逐步改变的形状的微米大小的颗粒。镜像分子与圆偏振光的相互作用是不同的，这意味着其电磁场相对于其运动方向向左或向右旋转。就像用右手握住别人的左手打招呼感觉很尴尬一样，手性分子对这种类型的光的吸收和散射是不同的，取决于光的手性。
Figure 3. 彩色电子显微镜图像中扭曲的微米级蝴蝶结
本文发现：他们的扭曲的领结与圆偏振光的相互作用是不同的。同时，这种差异随着表征粒子几何形状的参数而不断变化。
Figure 4. 蝴蝶结的形态多样性以及模型
此外，目前的一些手性标尺是不完美的，因为它们对某些手性结构返回的值是零。
简单的数学函数可以忠实地描述自然界的许多过程，只要科学家不偏离函数所要解释的行为范围。作者审查了各种手性函数，并发现一个特定的指数是最适合他们的光学反应领结的。所选择的指数被证明与一种被称为不对称因子的措施相关，它量化了粒子与圆偏振光的不同互动方式。
研究人员利用这种相关性来指导他们在玻璃片和棉布上印制领结——根据粒子对圆偏振光的敏感度进行图案设计。这种图案可以与一种叫做光探测和测距（lidar）的技术结合使用，后者使用激光来探测与某些物体的距离。使用圆偏振光将使涂有这些蝴蝶结颗粒图案的物体容易被激光雷达识别。例如，这种方法可以使穿有涂层的嬉皮士夹克的行人更容易被自动驾驶车辆发现。
化学研究涉及许多模糊的概念，这些概念无法证明，但却有助于我们理解化学的复杂性。以芳香度为例，这是一种特殊的稳定性，影响到有机化学中结构和特性之间的关系。芳香度有很多衡量标准，每一种都有自己的深刻含义。本文的工作表明，量化化学手性的指标也同样有用，就像圆偏振探照灯一样，可以照亮光和物质之间复杂的相互作用。
来源：高分子科学前沿
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