前沿进展 | 基于光学偏振加工无机手性超结构的新范式

     “前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

        近日，武汉大学物理科学与技术学院丁涛课题组利用无机光化学相关原理，结合光场偏振态的调控技术，实现了几类典型金属和无机非金属材料手性纳米结构的光学可控生长。通过调节矢量光的偏振态可以对复合结构的手性特征和手性光学强度进行调控（图1）。该系列工作开创了基于光学偏振加工无机手性超结构的新范式，为手性分子的超灵敏检测、宽波段的手性超表面、手性发光器件和手性光电探测等应用打下重要基础。

        相关成果以“Polarization-directed growth of spiral nanostructures by laser direct writing with vector beams”为题于2023年3月14日在线发表在Nature Communications上。

图1 偏振光场诱导下的手性和复杂组装纳米结构概念图（致谢：吴丽萍）

02 研究背景

        手性纳米结构的构筑对于二维材料谷极化度的调控、生命手性起源的理解，以及手性催化和手性药物的筛分都具有重要的理论和应用价值。传统物理或化学方法构造的手性纳米结构，要么加工条件苛刻复杂、制备成本较高，要么均一性和有序性较差，难以实现器件化的应用。

        利用光学手段加工手性纳米结构具有简便易行、规整度高、可调节性好等优势，但是目前适用的材料体系大都集中于有机聚合物，其光学特性和功能性均较差，往往需要后续沉积或者掺杂无机材料实现更优异的功能。直接利用光学手段对无机材料进行微纳加工产生手性微纳结构还存在能力有限、可调节性和普适性较差等问题。

03 研究创新点

        近年来，武汉大学丁涛课题组在金属手性结构构筑和手性分子传感方面做了大量的有益尝试，例如通过光学热泳力辅助光化学生长得到了具有光学活性的枝化银纳米线（ACS Nano 2021, 15, 16404）；利用光热效应辅助金纳米颗粒的不对称熔合形成金纳米颗粒的手性聚集体 （Laser Photon. Rev. 2022, 16, 2100526）。虽然这些手段能够简单便捷地形成手性纳米结构，但是利用这些手段得到对映体的选择性和可调控性均较差。

        近日，该团队发现利用偏振光学近场增强的手段能够辅助光化学生长过程产生梭状金纳米颗粒的取向生长（图2a，b），其生长方向可以随着偏振方向任意调节。他们还发现其它无机贵金属氧化物也有相似的取向生长特性。

        受该现象启发，他们进一步利用手性矢量偏振光场诱导更为复杂的手性纳米超结构生成（图2c, d）。这种等离激元手性超结构展现出较强的超手性场和光学活性（图2e），对手性分子展现出较大的光谱不对称因子（图2f），适用于不同手性分子的光学检测（Nat. Commun. 2023, 14, 1422）。

图2 矢量偏振光场诱导等离激元手性纳米结构的构筑及其在手性分子光学传感方面的应用

        该方法同样适用于多种无机介质材料手性超结构的可控生长，可控性更高。在近期发表的另外一篇论文中（PNAS 2023, 120, e2216627120），他们详细介绍了以氧化铂为首的几类典型无机半导体材料在偏振偶极诱导下的取向生长过程。

        在偏振光场作用下，氧化铂纳米颗粒在动力学上更倾向于取向排列生长，形成椭圆形的柱状结构（图3a）。通过在同一位点多次改变偏振方向可以得到螺旋扭曲的纳米柱结构（图3b, c）。随着螺旋度的增加，其光学手性逐渐加强（图3d）。在矢量偏振光场作用下，氧化铂纳米颗粒能够组装形成更为复杂的图案（图3e，f），在可见光范围内表现出较宽的手性光谱（图3g）。

图3 偏振光场诱导氧化铂手性纳米结构的构筑及其光学活性

04 总结与展望

        该工作开拓了基于矢量偏振光场加工手性纳米结构的新范式，与传统手性纳米结构制备相比具有简单、规整、可调、且具有相对较高的普适性，适用于器件化的加工集成。后续研究中，他们将进一步研发阵列化的加工手段和可动态调的手性纳米超结构，以及研究其在手性分子超灵敏检测，手性激子强耦合方面的应用。

        论文第一作者为博士研究生卢晓林，丁涛教授为唯一通讯作者。相关研究工作得到自然科学基金（11974265）和国家重点研发计划（2020YFA0211300）资助。武大纳米中心、电镜中心和超算中心对相关材料的表征和计算提供支撑服务。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37048-0