上海科技大學Nature Materials：一種確認兩種基于電子晶體學手性的新方法
【引言】
神奇美幻的自然中，物體與其本身無法跟它的鏡像重合，就說此物體具有“手性”。手性在自然界中廣泛存在并廣泛應用，例如：人類的手、海螺的螺殼都具有明顯的手性特征。同樣手性也存在于微觀世界中，許多分子都具有手性特征，非手性的分子通過彼此間相互作用也可以形成手性排列。在晶體學中，手性結構是指具有手性空間群的結構，而單個晶體手性結構的確認一般是通過單晶X射線衍射來完成。由于吸收的存在，X射線與物質相互作用時會發生反常散射，造成弗里德爾衍射對(Friedel pair)的強度差異，而兩種手性結構產生的強度差異正好相反。如何快速有效地解決這一問題仍然是一個挑戰。本文通過開發出確認兩種基于電子晶體學的手性的新方法，成功實現了納米尺寸晶體的手性確認。
【成果簡介】
近日，上海科技大學物質學院特聘教授Peter Oleynikov、電鏡中心主任Osamu Terasaki（共同通訊作者）和助理教授馬延航在Nature Materials上發表了一篇題為 “Electron crystallography for determining the handedness of a chiral zeolite nanocrystal” 的文章。該研究團隊開發出兩種基于電子晶體學的手性確認新方法，成功實現了納米尺寸晶體的手性確認：TEM中利用晶體旋轉，沿著不同晶帶軸拍攝同一個晶體的高分辨圖像，通過對比旋轉前后圖像的變化，確定晶體的手性結構；利用旋進電子衍射，沿著特定帶軸收取系列旋進電子衍射花樣，通過比較高階勞厄區衍射點強度的差異，確定晶體的手性結構。成功地突破了單晶X射線衍射方法的限制，為確認提供手性結構提供了新的研究手段和技術方法，可以為設計和開發新的手性提供重要借鑒意義。
【圖文導讀】
圖1 具有不同手性的螺旋的六折旋轉的示意圖
（a）旋轉后右旋螺旋和（b）左旋螺旋的變化與右側相同；
螺旋線由柱子周圍的球鏈顯示。每個螺旋中的兩個球體被標記為矩形，顯示了旋轉之后的投影的移動。即右手的向下，左手的向上。
圖2 從一組HRTEM圖像中確定HPM-1的手性
（a）右旋的沸石的模擬HRTEM圖像；
（b）左旋度沸石的模擬HRTEM圖像；
藍色和紅色的球分別代表Si和O原子的原子結構模型被覆蓋在模擬圖像之上；
（c-h）沿[2īī 0]和[1 ī00]方向分別獲取一個晶體的實驗數據：低倍率TEM圖像（c和e）；
? SAED圖案（d和f）和來自焦點的重建結構投影的圖像 系列（g和h）；
螺旋軸（框架的c軸）由白色箭頭（c和e）表示；
并且晶體的兩個特征點由兩個箭頭（g和h）標記，以指定從[2īī 0]到[1ī 00]在螺旋軸周圍30度；
模擬圖像插入到g和h中。
圖3兩個HRTEM圖像與金納米顆粒作為標記的比較
（a）沿著 [2 īī0] 到（b）[1ī00] 區域軸線涂覆金納米顆粒的手性沸石的圖像。[2īī 0] 通過將晶體向右傾斜30°（用c軸向上逆時針方向）達到[1ī00]；
（c，d）分別在傅立葉濾波之后的a和b的處理圖像，其僅包括特定范圍內的空間頻率以增強金納米顆粒的對比度。
圖4 使用PED圖案的手性沸石的手性測定
（a）沿 [0001] 方向（200kV，507反射，t=100nm，進動角0.1°，進動步長0.1°）模擬具有空間群P6122的HPM-1手性沸石的PED圖案；
（b）沿著相同方向的手性沸石的實驗PED圖案。由黃色矩形標記的區域展開以顯示兩對反射之間的強度差異。
【小結】
該研究團隊通過分別使用原子級的HRTEM成像或PED技術首次確定手性沸石的手性。以金納米顆粒為內標，通過將相同的晶體圍繞其螺桿軸傾斜來觀察沿兩個區域軸拍攝的兩個HRTEM圖像之間的偏移。這種移位對于兩種對映異構體具有相同的長度但是相反的方向。或者，可以使用PED圖案來實現螺旋度確定，其中可以找到Bijvoet對之間的強度不對稱。 這兩種方法將通過開創手段確定的新途徑，促進電子晶體學的發展和材料科學的進一步發展。
文獻鏈接：Electron crystallography for determining the handedness of a chiral zeolite nanocrystal（Nature Mater., 2017, DOI: 10.1038/nmat4890）
本文由材料人編輯部納米材料學術組汪李超供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！
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確認晶體手性結構的新方法