近日，北京大學(xué)本科校友、英國牛津大學(xué)-德國馬克思普朗克研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生曾智洋和所在團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一類特殊的“反手性”晶體材料。

這類材料在納米尺度上由相等比例的左手和右手微觀結(jié)構(gòu)組成，在宏觀上不表現(xiàn)出手性。有趣的是，這些材料會(huì)在外界調(diào)控下產(chǎn)生手性。研究中，他們通過超快光學(xué)激發(fā)，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對其手性的精準(zhǔn)調(diào)控，開發(fā)了動(dòng)態(tài)操控手性的新方法。

圖 | 曾智洋（來源：曾智洋）

對于相關(guān)論文一位審稿人評價(jià)道：“這項(xiàng)研究顛覆了人們對手性只能在材料合成階段決定的傳統(tǒng)認(rèn)知，首次通過光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)了手性的外部調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)為手性材料的動(dòng)態(tài)調(diào)控開辟了新方向，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。”

（來源：Science）

目前，本次研究仍處于基礎(chǔ)研究階段，但它為未來的應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。“反手性”材料在多個(gè)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景，例如：

• 光學(xué)元件：可重構(gòu)手性光學(xué)器件，如可調(diào)偏振片和手性激光器。
• 非線性光學(xué)：用于調(diào)控光-物質(zhì)相互作用，提高光信號處理能力。
• 手性催化：在合成化學(xué)和制藥領(lǐng)域，手性調(diào)控可以影響催化反應(yīng)的選擇性。
• 拓?fù)湮飸B(tài)研究：動(dòng)態(tài)手性調(diào)控可能在拓?fù)洳牧虾土孔有畔㈩I(lǐng)域發(fā)揮作用。

未來，研究團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步優(yōu)化這一方法，使其適用于更廣泛的材料體系，并探索其他外場（如電場、磁場）對手性的調(diào)控方式。

手性是物質(zhì)的基本性質(zhì)之一，在生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域都有重要影響。而手性材料也在醫(yī)藥、光學(xué)、催化等多個(gè)方向有著廣泛的應(yīng)用。

在固體材料中，手性通常在晶體生長過程中決定，一旦形成，左手性和右手性便無法自由切換。這一限制極大地阻礙了手性材料的動(dòng)態(tài)調(diào)控，以及光學(xué)器件中的應(yīng)用。

本次研究正是針對這一問題，探索了一種全新的手性切換方法，使得手性可以在外界控制下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

不過，這個(gè)研究的開展實(shí)際上帶有一些偶然性。最初，曾智洋的主要精力集中于另一項(xiàng)使用光學(xué)手段調(diào)控材料性質(zhì)的研究上。在深入研究的過程中，他偶然產(chǎn)生了一個(gè)新的想法：是否可以通過光學(xué)方式來調(diào)控材料的手性？

為了驗(yàn)證這一想法的可行性，曾智洋利用自己掌握的有關(guān)群論的數(shù)學(xué)知識(shí)，對某些特定材料進(jìn)行了對稱性分析。很快，他發(fā)現(xiàn)這種方法在理論上是完全可行的——在合適的材料體系中，光場的激發(fā)確實(shí)可以誘導(dǎo)手性變化。這一發(fā)現(xiàn)讓他非常興奮，于是曾智洋開始思考如何在實(shí)驗(yàn)上加以驗(yàn)證。

確定理論可行后，他開始尋找適合的材料體系，并找到了幾個(gè)適合在實(shí)驗(yàn)中觀測手性調(diào)控的候選材料。在與導(dǎo)師討論后，得到了導(dǎo)師的認(rèn)可和支持，于是便著手在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嘗試。在初步實(shí)驗(yàn)中，曾智洋和所在團(tuán)隊(duì)很快就觀測到了與理論預(yù)測相符的手性變化。

在實(shí)驗(yàn)取得初步成功后，為了更深入理解觀測到的手性變化機(jī)制，他們還進(jìn)行了理論計(jì)算。通過模擬光場與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互作用，建立了一個(gè)理論模型，并成功地解釋了實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵現(xiàn)象。

值得注意的是，在研究初期曾智洋使用實(shí)驗(yàn)室已有的光學(xué)儀器進(jìn)行測量，雖然能夠觀測到預(yù)期的信號，但信噪比并不理想。為了獲得更精準(zhǔn)的結(jié)果，他在實(shí)驗(yàn)測量的硬件和軟件方面同時(shí)進(jìn)行了升級。

在硬件方面，曾智洋使用了所在研究所自研的光學(xué)探測器，提高了實(shí)驗(yàn)的靈敏度。在數(shù)據(jù)采集方面，他也拋棄了傳統(tǒng)的商用儀器，而是采用了自己編程控制的數(shù)據(jù)采集軟件。這些改進(jìn)提高了實(shí)驗(yàn)的信噪比，也大大縮短了實(shí)驗(yàn)測量所需的時(shí)間。

日前，相關(guān)論文以《非手性晶體中的光誘導(dǎo)手性》（Photo-induced chirality in a nonchiral crystal）為題發(fā)在Science[1]，曾智洋是第一作者，安德里亞·卡瓦列里（Andrea Cavalleri）教授擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）

據(jù)介紹，本次方法可以推廣到更多材料體系，實(shí)現(xiàn)對不同材料手性的調(diào)控。

未來，研究團(tuán)隊(duì)首先希望探索更廣泛的材料適用性，尋找其他具有可調(diào)手性的晶體，擴(kuò)展該方法的適用范圍。其次希望探索更多外場調(diào)控手段，研究電場、磁場等非光學(xué)手段對手性的影響。最后希望探索實(shí)際應(yīng)用，將該方法應(yīng)用于可重構(gòu)光學(xué)器件、非線性光學(xué)材料以及手性催化體系。

參考資料：

1.Z. Zeng et al. , Photo-induced chirality in a nonchiral crystal.Science387,431-436(2025).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4713

運(yùn)營/排版：何晨龍