莫尔手性超材料

手性是自然界中十分重要的一种现象。许多常见的有机分子都具有手性结构,譬如糖分子、氨基酸分子以及药物分子等。可以说手性是生物圈运转的一个必不可少的因素。手性分子的一个重要特征是其在化学结构上不能与镜像分子完全重合。这种手性结构使得手性分子拥有十分特殊的光学特性,包括圆二色性以及旋转线性偏振光的能力。这些特性可以被用于许多特殊的光学应用,譬如宽频偏振、分子探测、负折射率以及偏振光探测等。然而自然界中分子的手性光学特性普遍都十分微弱,且大多数分子的手性光学特性表现在紫外光区域,因此其应用范围受到了很大的限制。为了解决这个问题,科学家们模仿自然界中手性分子的结构设计了各种纳米或微米级的手性超材料。这些手性超材料可以实现比自然分子高出数个量级的手性光学特性。

传统的手性超材料设计思路集中在两个方向,包括将具有手性结构的单元排列成阵列以及将非手性结构进行层叠并使层与层之间的非手性单元形成相对旋转。这些依赖于手性单元或单元间相对旋转的超材料往往需要十分复杂的制备工艺。尤其是对于纳米或微米级别的手性超材料,其微小的手性单元通常需要用到电子束光刻或聚焦离子束光刻。这些高成本、低输出的技术限制了手性超材料的大批量生产。而且传统的手性超材料设计思路使得调控手性光学特性成为一件复杂的任务。

AOM-zhengyuebing

近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的郑跃兵研究团队发明了一种新型的手性超材料,即莫尔手性超材料。这种新型手性超材料巧妙利用传统的纳米小球光刻技术以及常用的湿法转移技术,制备出两层具有有序纳米孔阵列的金纳米薄膜,并将其层叠在一起。两层金纳米孔阵列之间的相对旋转使得此双层结构具有莫尔图案以及手性特质。由于金纳米孔阵列在特定的入射光照射下能激发出表面等离激元,这种新型的莫尔手性超材料在其共振峰附近有着很强的手性光学特征。这些手性光学特性可以通过改变两层金纳米孔阵列的相对旋转来进行调控。郑跃兵教授所带领的团队还进一步将莫尔手性超材料用于探测蛋白质分子以及药物分子的手性结构。利用莫尔手性超材料的强手型光学特性以及其孔状结构,他们成功将止痛药萨力多胺与其有害的对映异构体区分开来。鉴于莫尔手性超材料具有超薄厚度(约为70纳米)、高灵敏度、低成本以及高制备输出等特点,该新型材料有望广泛应用于生命医药、食品安全以及先进光学器件等领域。

本工作以内封面文章的形式发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201700034)上,第一作者为课题组成员伍子龙。

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