Reversibel nanohelix-transformation är ett av de mest utsökta och viktiga fenomenen i naturen. Nanomaterial bildar sällan spiralformade kristaller. På grund av irreversibiliteten hos de vridningskrafter som hittills studerats, är det svårare att vrida ur sig än att sno om kristallina nanohelixar. Därför är många reversibla twisttransformationer mellan två stabila kristallina produkter sällsynta och kräver en känslig energibalans. Denna reversibla transformation av nanohelixar har länge ansetts vara svår att uppnå.
Forskare från Hefei Institutes of Physical Science vid den kinesiska vetenskapsakademin har i samarbete med forskare från Nanjing University och University of Science and Technology i Kina upptäckt en subtil konkurrens- och samarbetsrelation inom kristallstrukturen, vilket skapar en känslig energibalans mellan strukturerna hos de tvinnade och otvinnade kristallina nanohelixarna.
För första gången har forskarna uppnått flera reversibla transformationer mellan nanotrådar och nanohelixar. Studien publicerades i Nature Communications .
Med hjälp av elektronspinresonans (ESR), inklusive högfälts-ESR, vid Steady-State High Magnetic Field Experimental Facility, visade forskarna förändringar i koordinationsmiljön för Co(II) och en minskning av nanohelixens symmetri. Solid-state nukleär magnetisk resonansspektroskopi och terahertz-spektroskopi avslöjade att π-π-interaktioner spelar en avgörande roll i spiraltillväxten.
Dessa resultat, i kombination med teoretiska beräkningar och olika valideringsexperiment, tyder på att vridningen uppstår från den konkurrenskraftiga interaktionen mellan kondensationsreaktioner och π-π staplingsprocesser. Den här unika konkurrenskraftiga tillväxtmekanismen, tillsammans med tillväxtlägets mikrojusterbarhet, är nyckeln till att konstruera finjusterbara energibalanssystem och uppnå reversibla spiralformade transformationer.
Genom att selektivt designa och modifiera de intermolekylära krafterna och finkontrollera tillväxthastigheterna i olika riktningar samtidigt som den övergripande strukturen bibehålls, kan riktningen för energibalansen ändras, vilket gör att nanohelixar vrids, löses och återtvinnas.
Denna studie presenterar ett nytt tillvägagångssätt för att designa reversibla kristalltransformationer genom att finjustera intermolekylära interaktioner för att möjliggöra flera reversibla transformationer i kristaller. Denna teknik erbjuder ett nytt perspektiv för kristallografi, förbättrar kristallografisk teori och möjliggör realisering av olika komplexa reversibla processer.
Mer information: Wei Du et al, Twisting, untwisting, and retwisting of elastic Co-based nanohelices, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40001-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
