长春应化所在手性金纳米晶与手性光学响应调控研究中取得重要进展

中国科学院长春应用化学研究所在手性金属纳米晶的精准结构调控及其手性光学性质调制领域取得重要进展。牛文新团队成功发展了一种基于表面活性剂层工程的调控策略，在不改变手性诱导剂构型的前提下，实现了螺旋金纳米晶生长路径的可控切换及其手性光学响应的定向反转，为手性等离激元纳米材料的设计与调控提供了新的研究思路。相关研究成果以“Surfactant-Layer Engineering Enables Growth Pathway Switching and Reversal of Chiroptical Activity in Helicoid Gold Nanocrystals”为题，发表于国际权威期刊《Journal of the American Chemical Society》。

手性纳米结构中，几何构型与光–物质相互作用之间的耦合关系是决定其光学响应的重要因素。螺旋金纳米晶因其三维不对称结构能够约束等离激元振荡轨迹，被认为是研究手性等离激元效应的典型模型体系。然而，现有螺旋金纳米晶的合成方法通常依赖手性诱导剂的对映体构型来调控其手性形态与光学信号，普遍面临手性分子来源受限、成本高以及难以实现手性光学信号反转等问题。因此，如何在保持手性诱导剂构型不变的条件下，实现螺旋金纳米晶手性结构与手性光学响应的可控调制，成为该领域亟待解决的核心科学问题。

针对这一挑战，研究团队在半胱氨酸诱导的种子介导生长体系中，引入5-溴水杨酸等芳香分子作为界面调控因子。该芳香分子可嵌入金纳米晶表面的表面活性剂双层结构中，协同调控界面离子吸附与胶束堆积行为，从而显著改变金纳米晶沿 ⟨100⟩ 与 ⟨111⟩ 晶向的相对生长速率，并诱导表面凹陷结构的逐步形成。在此作用下，螺旋金纳米晶的几何构型由原始的 C₄ 型风车状结构逐步转变为 C₃ 型螺旋桨状结构，其圆二色谱信号发生完全反转，g 因子由 −0.14 逆转为 +0.09，表明实现了手性结构与手性光学响应的协同反转调控。进一步的结构表征与理论模拟研究表明，该手性光学反转源于不同手性中心在整体结构中的相对贡献变化。原始螺旋金纳米晶中，C₄ 型手性中心在几何尺寸与光学响应中占据主导地位；而在芳香分子调控下，沿 ⟨100⟩ 方向的各向异性生长及表面凹陷结构的增强，使 C₃ 型手性中心逐渐成为主导贡献，从而驱动整体手性光学信号的反转。同时，表面凹陷结构的形成显著增强了局域结构不对称性，进一步放大了手性光学响应强度。

该工作不仅发展了一种灵活、可扩展的手性纳米晶合成策略，还建立了表面活性剂界面工程、各向异性生长与手性光学响应之间的构效关系，为手性等离子体材料的精准设计与性能调控提供了新思路。该方法具有广泛的化学兼容性，适用于多种芳香分子与手性诱导剂，并可通过种子量调节实现尺寸调控，展现出良好的普适性与应用潜力，将推动手性传感、不对称催化与自旋光电子学等领域的功能材料创新。

研究成果详见《Journal of the American Chemical Society》期刊，https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c20595。

图1. 螺旋金纳米晶体在有无5‑BSA条件下的不同生长路径与手性光学活性反转示意图。