信息时报讯（记者 邹甜 通讯员 华轩）近来，华南理工大学研讨团队发现了一种由分子五边形构成的超分子胶束，这些胶束可以自拼装构成一类共同的超晶格结构（图1 E~F）。其间，一种超晶格结构逾越了一切已知金属合金的相态，因全球初次发现被命名为ϕ相。

　　ϕ相的构成源于分子五边形胶束天然倾向于展示某种非球形特征，这是其他球形系统乃至是具有不一样对称性的同系列分子都不具有的特性。这一发现预示着，软物质拼装作为一种资料构建战略，具有逾越传统金属结构约束的潜力，让新的人工资料功能开发呈现更多或许。此项工作也为开发根据非金属原型的“软合金”奠定坚实的根底。

　　图1.类球软资料的密堆结构示例。(A)单层肾细胞。(B)金属海绵。(C)番笕泡沫。(D)体心立方堆积结构模型。(E)μ相堆积结构模型。(F)ϕ相堆积结构模型。图片来源于互联网。校方供图

　　类球形软资料（例如胶束、囊泡、微凝胶、细胞和番笕泡等）的密布堆积结构在天然界和人工系统中极为遍及 (图1 A~C)。风趣的是，虽然这些资料易于变形，但它们严密堆积的形状常常类似于金属或合金的结构，如二维六方密铺、体心立方堆积（图1 D）， 以及类似金属玻璃的结构。

　　这种现象的成因在于，完美球体构成的界面面积最小，然后最大极限地下降界面能。因而，每个柔性单元在几许上都倾向于构成尽或许挨近球形的多面体形状，这一进程与金属中使用自由电子安稳结构的机制类似。

　　因而，金属晶体、准晶或玻璃的结构模型一般也能很好地描绘软资料的堆积形状，而软物质中这种热力学上的趋势，也非常大程度上将其堆积结构约束在类金属结构的结构内。金属原子的结构是天然界赋予的，而人工资料则供给打破这些约束的或许性。

　　图2. 分子结构及多级拼装示意图。(A) 分子五边形结构。(B) 分子五边形及分子1~4的中心及外围基团化学结构。(C) 分子五边形堆积成μ相和ϕ相的多级拼装示意图。校方供图

　　在这项研讨中，研讨人员首要经过模块化组成办法制备了一系列盘状分子（图2 A~B），这些分子具有准确界说的化学结构和对称性。这些分子的中心由具有不一样对称性的中心构成，并经过点击化学反应在外围引进润饰有疏水性柔性链的笼形聚倍半硅氧烷（POSS）。

　　在试验中，经过热退火处理诱导这些盘状分子拼装成超分子胶束，这些胶束由内部的芳环和外部的饱满烷烃链构成，并进一步自拼装构成周期性的超晶格结构。因为这些胶束在其拼装进程中的效果类似于金属晶体中的原子，因而被称为“介观原子” （mesoatom，图2 C）。

　　图3. μ相和ϕ相的结构表征。(A) μ相的小角X射线散射谱图及对应晶面目标。 (B) μ相特征晶面的透射电镜相片。(C) ϕ相的小角X射线散射谱图及对应晶面目标。 (D) ϕ相特征晶面的透射电镜相片。校方供图

　　从分子1到分子4，虽然对称性各异，它们均能拼装成软物质系统中常见的体心立方结构。但是，令人惊奇的是，分子五边形展示出天壤之别的杂乱拼装行为。经过小角X射线散射试验，发现分子五边形在高温文低温下别离呈现不同的杂乱相态。高温结构经过目标化粉末衍射成果和多角度电镜透射相片的结合剖析，终究确以为μ相 (图3 A~B)。μ相是1935年在铁钨合金中初次发现的结构，在高温合金范畴仍占有主体方位，此次是该相在软物质中的初次发现。另一方面，低温下的结构既经过小角散射也经过电镜无法与已知结构对应 (图3 C~D)。为了解析这一低温结构，作者捕获到了相改变的中心态，并辅以多种模仿办法，终究成功揣度出了低温相的结构，并将其命名为ϕ相。

　　图4. Frank-Kasper（FK）相的特征。(A) 四种FK相的根本配位环境。(B) 不同标准FK相结构在各类资猜中的发现。校方供图

　　μ相和ϕ相均归于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地构成，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 (图4 A)。这类结构的严密堆积使得其在冶金工业中以高硬度著称，一起也常成为软物质及其他资料堆积的优势结构。

　　从金属到番笕泡，曩昔百年里，FK相在从原子标准到微观标准的不一样的资猜中不断被发现 (图4 B)，现在现已确认了28种。ϕ相成为FK宗族中的最新成员，也是初次在非金属系统中发现的球堆积结构。

　　更重要的是，ϕ相填补了FK结构类群中的一个重要缺口。因为配位环境的约束，FK结构的某些特征晶面可以被看作是简略几许结构（如正方形、正三角形、长方形、压扁三角形）的排列组合。一切FK相均由三类根本FK相结构（A15、C15和Z相）的密铺方式组成。一些重要的FK相之间的演化关系列在了图5中，本项研讨中新发现的ϕ相完美地填补了金属中已知的σ相与pσ相之间的空白。ϕ相在金属结构中的空缺也暗示了自拼装结构在新结构构筑上的共同维度。

　　接下来的一个重要问题是，为何杂乱的球堆积结构会在分子五边形的堆积中呈现，而这种行为并不在其他对称性分子中呈现？为了探求分子五边形在介观标准发生的影响，作者对晶格几许结构的剖析，晶格被划分为多个Wigner-Seitz (Voronoi) cell，然后定性描绘了介观原子在该方位的体积和形状。经统计剖析得出，在分子五边形构成的超晶格中，介观原子不管在体积仍是形状上的散布都适当广泛。而在其他分子构成的晶格中，因为分子倾向于构成热力学上最安稳的介观原子，其巨细散布一般较为会集。

　　分子动力学模仿进一步证明，在分子五边形的严密堆积中，各种巨细的介观原子能量差异并不明显，这一特征在其他系统中是调查不到的。这种部分能量优势但大局无法到达平衡的状况，是软物质中结构阻挫效应的又一例子。此外，本研讨还强有力地证明晰特殊的大局效应可以终究靠简略的分子几许规划来完成。一起，也说明晰正因为因为软物质的特性，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，所以能预见会有更多新的FK相结构在不久的将来可以被人们所发现和知道。