Wetenschappers onthullen de cyclus van draaien, losdraaien en opnieuw draaien van nanohelices

Omkeerbare nanohelix-transformatie is een van de meest voortreffelijke en belangrijke verschijnselen in de natuur. Nanomaterialen vormen zelden spiraalvormige kristallen. Vanwege de onomkeerbaarheid van de tot nu toe bestudeerde torsiekrachten is het ontdraaien moeilijker dan het opnieuw verdraaien van kristallijne nanohelices. Daarom zijn veel omkeerbare twisttransformaties tussen twee stabiele kristallijne producten zeldzaam en vereisen ze een gevoelige energiebalans. Deze omkeerbare transformatie van nanohelices werd lange tijd als moeilijk te verwezenlijken beschouwd.

Onderzoekers van de Hefei Institutes of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben, in samenwerking met onderzoekers van de Nanjing Universiteit en de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, een subtiele concurrentie- en samenwerkingsrelatie binnen de kristalstructuur ontdekt, waardoor een delicate energiebalans tot stand is gekomen. tussen de structuren van de gedraaide en niet-getwiste kristallijne nanohelices.

Voor het eerst hebben de onderzoekers meerdere omkeerbare transformaties tussen nanodraden en nanohelices bereikt. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Met behulp van elektronenspinresonantie (ESR), inclusief ESR met hoog veld, in de Steady-State High Magnetic Field Experimental Facility, demonstreerden de onderzoekers veranderingen in de coördinatieomgeving van Co(II) en een afname van de symmetrie van de nanohelix. Vaste-stof kernmagnetische resonantiespectroscopie en terahertz-spectroscopie onthulden dat π-π-interacties een cruciale rol spelen in de spiraalvormige groei.

Deze resultaten, gecombineerd met theoretische berekeningen en verschillende validatie-experimenten, suggereren dat de twist voortkomt uit de competitieve interactie tussen condensatiereacties en π-π stapelprocessen. Dit unieke competitieve groeimechanisme, samen met de micro-aanpasbaarheid van de groeimodus, is de sleutel tot het construeren van nauwkeurig instelbare energiebalanssystemen en het bereiken van omkeerbare spiraalvormige transformaties.

Door selectief de intermoleculaire krachten te ontwerpen en aan te passen en de groeisnelheden in verschillende richtingen nauwkeurig te regelen, terwijl de algehele structuur behouden blijft, kan de richting van de energiebalans worden veranderd, waardoor het draaien, losdraaien en opnieuw draaien van nanohelices wordt gerealiseerd.

Deze studie presenteert een nieuwe benadering voor het ontwerpen van omkeerbare kristaltransformaties door intermoleculaire interacties te verfijnen om meerdere omkeerbare transformaties in kristallen mogelijk te maken. Deze techniek biedt een nieuw perspectief voor kristallografie, verbetert de kristallografische theorie en maakt de realisatie van verschillende complexe omkeerbare processen mogelijk.