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华南理工殷盼超教授 Angew 综述:基于X光和中子散射的溶液结构研究
2023-10-01  来源:高分子科技
  近数十年来,无机纳米科学领域蓬勃发展并取得了丰硕的研究成果。无机纳米材料具备宽泛可调的化学组成、拓扑结构以及理化性质,已在诸多领域展现出极为广阔的应用前景。可溶性无机纳米材料(SoINs)作为其中的一个重要分支,“可溶解”是其区别于其他无机纳米材料的最根本属性,也为此类材料的可控制备、大规模加工以及特定功能的实现提供了极大的便利。本综述中,作者不单单局限于能溶解在传统小分子溶剂中的无机纳米材料,而将SoINs的概念进一步扩展至更为丰富的无机-有机杂化和聚合物纳米复合材料体系。对SoINs的结构研究有助于深入认知其制备、加工、服役等场景下的复杂结构演变规律,对于定量建立其结构-性能关系图谱至关重要。然而,SoINs的结构异常复杂,横跨多个时空间尺度,加之其在大多场景下展现出的非晶无定形结构特征,使得传统的表征手段往往收效甚微。 


1不同X光和中子散射技术的q范围及其对应的空间尺度


  不同于“所见即所得”的实空间电子显微成像技术,散射方法以光波(X光、中子等)为媒介,得到的是物质结构在倒易空间的有效呈现。通过协调超小角、小角、广角散射等测试模式,可以在亚纳米到微米的空间尺度探测SoINs的复杂结构信息。与此同时,由于X和中子与物质的作用方式有所不同,因此X-射线散射与中子散射能够提供衬度互补的结构信息。X-射线吸收谱学作为散射方法的有力补充,该技术的发展使得我们能够进一步明确SoINs的局部几何及更为精细的电子结构(图1)。更为关键的是,现代同步辐射、中子源等大科学装置所带来的超高时间分辨率的优势,为实时在线研究复杂外场下SoINs多尺度结构的动态行为机制提供了强有力的技术支撑。 


2基于X/中子谱学技术的SoINs材料时空双维度研究


  本综述系统梳理了近年来X/中子谱学技术在SoINs的时空双维度研究方面的相关进展。作者首先简明扼要地介绍了散射/吸收技术的基本原理、并对实验操作、数据处理规范等给出了一定参考意见。而后,聚焦于结构明确的分子簇及其杂化模型体系(主要以多金属氧酸盐、金属有机多面体为代表),回顾了利用X光与中子表征方法探测此类模型材料的静态结构信息以及实时追踪其动态结构演变过程的经典案例(图2)。最后,作者探讨了这一领域所面临的困难与挑战,并对未来的发展方向提出了理性的看法和展望。总体而言,X/中子技术在复杂材料体系的多时空结构解析方面具有诸多独到的优势,尽管本综述中作者仅对一些代表性的研究案例进行了总结。有理由相信,此类表征方法在材料科学、化学、生命医学、能源安全等领域会有更加广阔的天地。该综述有望帮助更多的科研同行了解X/中子技术,以便更好地选择合适的X/中子表征方法,进而助力相关领域革新与发展。


  本文以“Spatiotemporal Studies of Soluble Inorganic Nanostructure with X-ray and Neutrons”为题发表于化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》。该论文主要完成人为华南理工大学博士后尹家福和欧洲同步辐射Lucia Amidani博士。华南理工大学博士生陈家董、赖钰妍、薛炳辉以及深圳综合粒子研究院李牧博士为本综述的撰写做出了重要贡献。本文通讯作者为欧洲同步辐射Kristina Kvashnina教授、美国俄勒冈州立大学May Nyman教授和华南理工大学殷盼超教授。本工作得到了国家自然科学基金重点项目、重大研究计划培育项目以及博士后创新人才支持计划等基金项目的支持。


  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. 202362, e202310953.

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


  殷盼超课题组基于X光和中子散射大科学装置研究复杂材料体系尤其是聚合物纳米复合材料的构效关系。欢迎对于X光和中子散射或者材料构效关系研究感兴趣的青年学者加入,学校和课题组为入站博士后提供具备竞争力的薪酬待遇和科研启动资金。课题组网站:https://www2.scut.edu.cn/panchaoyin/联系邮箱:yinpc@scut.edu.cn
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(责任编辑:xu)
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