手性结构及其调控方式与生命现象密切相关，是近些年化学、物理、材料、生物、等众多领域中的及其重要的研究方向。理解和控制手性的形成对基础研究以及工业应用都具有举足轻重的作用，然而如何探究生命分子的整体单一手性起源仍然是本领域的研究热点和难点。柱状相作为典型的一维结构，存在于许多π共轭化合物的1D维半导体中，它们可用于光收集和光发射、传感器、离子导体等，将这些特征与手性相结合可以增强它们作为功能材料的多样性。然而，常规意义上的柱状相由熔融的柔性链把液晶柱相互隔离，因此实际上是一个一维的系统。传统意义上，由于螺旋反转缺陷的存在，在一维的系统中是不可能维持手性的长程有序。因此，截止目前为止，对于柱相结构中长程均一手性的形成机理以及构筑方式的研究还十分有限。
针对上述科学问题，西安交通大学刘峰教授/Goran Ungar教授团队与河南工业大学、罗马尼亚科学院、南京大学以及英国谢菲尔德大学的研究人员合作，借助于上海同步辐射光源、英国钻石同步辐射光源以及我校分析测试中心等仪器设备，合成并研究了一系列具有手性中心的多链型分子在不同温度下的自组装行为，研究发现纯R-C10和S-C10对映体能够自发形成短程有序的手性六方柱状相(Colh*)，而其外消旋混合物则能够形成长程有序的正交Fddd相，每个晶胞由4个右旋柱和4个柱子左旋柱组成。在该结构中，对映体表现出明确的自分类现象，有序地排布于对应手性的螺旋柱中。在此基础上，进一步研究揭示了Fddd相中长程手性柱的形成机理以及构筑方式。
图1. 用于研究自组装行为的多链型分子结构R-C10和S-C10，纯对映体形成的手性六方柱状相(Colh*)和外消旋体形成的Fddd相模型。
借助于多种X射线散射与偏光显微镜成像技术，研究人员首先确认了分子的自组装结构(图1)。在此基础上，使用调制模式DSC(MDSC)、热/冷速率高达6000K/s的Flash DSC、基于Mueller matrix的同步辐射CD光谱以及分子动力学计算等方法进一步探究了长程有序手性产生的过程。
近日，该研究成果以《Fddd液晶中相反螺旋纽带的对映体自分类-反铁手性和顺手性》(Enantiomers Self-Sort into Separate Counter-Twisted Ribbons of the FdddLiquid Crystal-Antiferrochirality and Parachirality)为题发表在化学领域旗舰期刊《美国化学会志》《Journal of the American Chemical Society》上。西安交大材料学院的博士生汪艳与河南工业大学的李亚馨博士为该论文的共同第一作者，通讯作者是西安交大金属材料强度国家重点实验室的Ungar Goran教授和刘峰教授，陕西省软物质国际联合研究中心与西安交大金属材料强度国家重点实验室为本文的第一单位，该研究工作得到了国家自然科学基金、111计划2.0等项目的共同资助。本工作是刘峰教授领导的研究团队近期在化学类旗舰期刊《J. Am. Chem. Soc.》(2022, 144, 6936-6945；2023, 145, 1000–1010)后在液晶自组装领域取得的又一重要研究成果。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.3c06164