论文共鉴 | 第七届“阿达玛斯”学术论文奖优质论文展示(二)
2020-06-04




论文共鉴/Adamas

为了提高科研工作者之间的交流,加深与参评师生之间的互动,论文奖组委会设立“top论文共鉴”项目,以展示优秀科研成果、品鉴顶尖学术论文、讲述科研背后故事、分享团队建设经验为初衷,通过论文分享媒介,为科研工作者搭建一座自由的沟通交流桥梁。



Frank-Kasper相多面体的三维模型&平面图

本次,我们有幸邀请到了美国阿克伦大学苏泽彬博士,通过分享其发表于著名期刊《Nature Chemistry》上的文章《Identification of a Frank–Kasper Z phase from shape amphiphile self-assembly》,继续我们的“论文互鉴”之旅。


Q&A互动


正式开始前,作为“开胃菜”,我们邀请到了苏泽彬博士,以他作为材料学一线研究者的视角,谈谈他对这门学科的看法。

Q【论文组委会】您的研究方向为材料学,能分享一下您选择这个学科及研究方向的原因吗?

A【苏泽斌博士】材料学科既能满足探索科学的乐趣,又能为生产生活提供很大帮助,是一门兼具科学性与实用性的学科。


Q【论文组委会】现今在网络上出现了很多言论,调侃“生化环材”四个学科是“天坑专业”,您作为材料学的一线研究人员是如何看待这个观点的呢?

A【苏泽斌博士】如果以就业后的收入来论,生化环材确实不如当下热门的专业。例如计算机专业。但是所谓热门领域是在不断变化的,只有自己真正喜欢的专业才能一直走下去。不忘初心,方得终始。


Q【论文组委会】都说材料这门学科的人才是越学越高端,作为前浪(博士),您有什么对后浪们(本科生、硕士)说的吗?

A【苏泽斌博士】在低年级的时候打好基础,把基础知识学扎实。然后多读综述,自己领域内的经典科研文章以及前沿科研文章。知道了自己领域的 “前世今生”之后,才能对自己的课题有更好的把握,有的放矢。有了这些基础,接下来要做的就是好好努力,不畏挫折,勇于攀登科学高峰。



作者介绍



苏泽彬


科研经历:2014年毕业于北京大学化学与分子工程学院,于2014-2019在美国阿克伦大学攻读高分子科学博士,师从美国科学院院士程正迪教授。2018年跟随程正迪院士到华南理工从事科研工作。

研究方向:主要集中在高分子,液晶,表面活性剂及胶束等的凝聚态,通过改变相应的时间和空间尺度来研究材料内部的微观相互作用,响应性,动力学及结构。研究方向主要包括高分子亚稳态的转变热力学和动力学过程,有序结构及其形貌,光电材料中的表界面结构以及功能化杂化材料。


导师简介



程正迪,1949年出生于中国上海,高分子科学家,美国国家工程院院士,美国阿克伦大学Frank C. Sullivan杰出研究教授,东华大学先进低维材料中心主任/首席科学家,纤维材料改性国家重点实验室学术委员会副主任。


1987年进入阿克伦大学高分子科学系任教,先后担任助理教授、副教授、教授;1999年被聘为北京大学高分子科学与工程系长江讲座教授;2007年担任阿克伦大学高分子科学与工程学院院长;2008年当选为美国国家工程院院士;2014年获得影响世界华人大奖;2016年受聘为华南软物质科学与技术高等研究院院长;2017年获得日本高分子学会国际奖。


文章摘要


人类对于物质的微观结构的探索从未停止。1984年,准晶的发现将晶体学的范畴由230个空间群拓展到了无穷多的可能。介于常见密堆积结构与准晶结构之间,有一类具有四面体密堆积的结构被称之为Frank-Kasper相,简称F-K相。由于F-K相具有与准晶结构相似的排列方式,通常被称之为准晶的类似结构。其中已有27种F-K相在合金中被发现,这27种F-K相可以由三种基本的F-K相构成,它们分别是A15相,C15相和Z相 。在软物质的本体自组装中,自1997年Virgil Percec教授发现A15相,2017年Frank S. Bates教授发现了C15相后,Z相成了仅剩的未被发现的重要拼图。Z相需要由体积比差异较大的多种球状基元构成,同时这些球状基元需要由较大的平均配位数(13.428)。在单组分软物质中,同时满足这个条件是个艰巨的挑战。

F-K相之间的关系

本文巧妙地设计了一系列基于苯并菲与笼型倍半硅氧烷(POSS)的巨型形状两亲体,相比于传统高分子,该巨型形状两亲体具有精确的分子量、确定的几何结构等优点。由于POSS具有较大的空间位阻,该类巨型分子无法通过苯并菲之间的π-π堆叠形成常见的柱状结构,而是形成了球状基元。通过精确调控苯并菲与POSS连接片段,该系列巨型分子得到了一系列稀有的相结构,其中包括了在软物质中首次发现的Z相


分子模型及化学结构


实验内容



基于苯并菲与笼型倍半硅氧烷(POSS)的巨型形状两亲体合成过程


在该系列巨型形状两亲体中,样品Tp-C0-6BP在150℃退火,形成了A15相;将退火温度提高到170℃,该样品则形成了Z相。

Z相形成过程

小角X射线散射技术与透射电子显微镜技术从倒易空间与正空间中充分的证实了Z相的形成。此外,Z相可以直接由无序状态在170℃退火直接形成,无需经历A15相。Z相可以在150℃中退火相变为A15相。这些现象充分表明A15相到Z相的相变是典型的Enantiotropic相变。

小角X射线散射&透射电子显微镜

更进一步,研究者研究了A15相与Z相之间的相变机理。从分子层面,A15相中,每个球状基元含有四个分子,而Z相中的球状基基元则部分含有三个分子,部分含有四个分子。这满足了Z相对于球状基元之间较大的体积比的要求。在相变过程中,随着退火温度的升高,POSS产生一定程度的热膨胀,与此同时苯并菲之间的π-π堆叠作用在减弱,两者的共同作用使得分子可以逃逸出原有的球状基元进行调整 。从晶格层面,Z相是由A15相在(001)方向产生了矢量为[√3/2, 1/2, 0]的位移位移所得,透射电子显微镜数据佐证了该机理。其余分子的自组装行为与更多细节在原文中有相应的描述。
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Identification of a Frank–Kasper Z phase fromshape amphiphile self-assembly
Zebin Su, Chih-Hao Hsu, Zihao Gong, Xueyan Feng, Jiahao Huang, Ruimeng Zhang, Yu Wang, Jialin Mao, Chrys Wesdemiotis, Tao li, Soenke Seifert, Wei Zhang, Takuzo Aida, Mingjun Huang*, Stephen Z. D. Cheng*
Nat. Chem., 2019, DOI: 10.1038/s41557-019-0330-x


后记



作者寄语:
提得起兴趣,吃得下劳苦,耐得住寂寞,撑得起理想,不辜负年华。

作者邮箱:
402676252@qq.com

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