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華南理工殷盼超教授 Angew 綜述：基于X光和中子散射的溶液結構研究

2023-10-01 來源：高分子科技

近數十年來，無機納米科學領域蓬勃發展并取得了豐碩的研究成果。無機納米材料具備寬泛可調的化學組成、拓撲結構以及理化性質，已在諸多領域展現出極為廣闊的應用前景。可溶性無機納米材料（SoINs）作為其中的一個重要分支，“可溶解”是其區別于其他無機納米材料的最根本屬性，也為此類材料的可控制備、大規模加工以及特定功能的實現提供了極大的便利。本綜述中，作者不單單局限于能溶解在傳統小分子溶劑中的無機納米材料，而將SoINs的概念進一步擴展至更為豐富的無機-有機雜化和聚合物納米復合材料體系。對SoINs的結構研究有助于深入認知其制備、加工、服役等場景下的復雜結構演變規律，對于定量建立其結構-性能關系圖譜至關重要。然而，SoINs的結構異常復雜，橫跨多個時空間尺度，加之其在大多場景下展現出的非晶無定形結構特征，使得傳統的表征手段往往收效甚微。

圖1. 不同X光和中子散射技術的q范圍及其對應的空間尺度

不同于“所見即所得”的實空間電子顯微成像技術，散射方法以光波（X光、中子等）為媒介，得到的是物質結構在倒易空間的有效呈現。通過協調超小角、小角、廣角散射等測試模式，可以在亞納米到微米的空間尺度探測SoINs的復雜結構信息。與此同時，由于X和中子與物質的作用方式有所不同，因此X-射線散射與中子散射能夠提供襯度互補的結構信息。X-射線吸收譜學作為散射方法的有力補充，該技術的發展使得我們能夠進一步明確SoINs的局部幾何及更為精細的電子結構（圖1）。更為關鍵的是，現代同步輻射、中子源等大科學裝置所帶來的超高時間分辨率的優勢，為實時在線研究復雜外場下SoINs多尺度結構的動態行為機制提供了強有力的技術支撐。

圖2. 基于X光/中子譜學技術的SoINs材料時空雙維度研究

本綜述系統梳理了近年來X光/中子譜學技術在SoINs的時空雙維度研究方面的相關進展。作者首先簡明扼要地介紹了散射/吸收技術的基本原理、并對實驗操作、數據處理規范等給出了一定參考意見。而后，聚焦于結構明確的分子簇及其雜化模型體系（主要以多金屬氧酸鹽、金屬有機多面體為代表），回顧了利用X光與中子表征方法探測此類模型材料的靜態結構信息以及實時追蹤其動態結構演變過程的經典案例（圖2）。最后，作者探討了這一領域所面臨的困難與挑戰，并對未來的發展方向提出了理性的看法和展望。總體而言，X光/中子技術在復雜材料體系的多時空結構解析方面具有諸多獨到的優勢，盡管本綜述中作者僅對一些代表性的研究案例進行了總結。有理由相信，此類表征方法在材料科學、化學、生命醫學、能源安全等領域會有更加廣闊的天地。該綜述有望幫助更多的科研同行了解X光/中子技術，以便更好地選擇合適的X光/中子表征方法，進而助力相關領域革新與發展。

本文以“Spatiotemporal Studies of Soluble Inorganic Nanostructure with X-ray and Neutrons”為題發表于化學領域頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》。該論文主要完成人為華南理工大學博士后尹家福和歐洲同步輻射Lucia Amidani博士。華南理工大學博士生陳家董、賴鈺妍、薛炳輝以及深圳綜合粒子研究院李牧博士為本綜述的撰寫做出了重要貢獻。本文通訊作者為歐洲同步輻射Kristina Kvashnina教授、美國俄勒岡州立大學May Nyman教授和華南理工大學殷盼超教授。本工作得到了國家自然科學基金重點項目、重大研究計劃培育項目以及博士后創新人才支持計劃等基金項目的支持。

文章信息：Jia-Fu Yin, Lucia Amidani, Jiadong Chen, Mu Li, Binghui Xue, Yuyan Lai, Kristina Kvashnina*, May Nyman*, Panchao Yin*. Spatiotemporal Studies of Soluble Inorganic Nanostructures with X‐rays and Neutrons. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310953.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202310953

殷盼超課題組基于X光和中子散射大科學裝置研究復雜材料體系尤其是聚合物納米復合材料的構效關系。歡迎對于X光和中子散射或者材料構效關系研究感興趣的青年學者加入，學校和課題組為入站博士后提供具備競爭力的薪酬待遇和科研啟動資金。課題組網站：https://www2.scut.edu.cn/panchaoyin/聯系郵箱：yinpc@scut.edu.cn

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