近日，同濟大學化學科學與工程學院韓璐教授團隊在光子晶體領域取得重大突破，成功實現了單金剛石（SD）曲面二氧化鈦骨架的自組裝構筑，這一成果被譽為光子晶體結構的“圣杯”。相關研究論文已發表于國際權威學術刊物《美國科學院院刊》（PNAS）。

       單金剛石（SD）曲面結構，常見于甲蟲和象鼻蟲的外骨骼中，其獨特的負高斯曲率曲面與立方金剛石晶格網絡的完美結合，賦予這些昆蟲絢麗的結構色，SD結構具有迄今報道的最寬的完全光子帶隙，并且可以利用已知材料在約1.9的介電常數對比度條件下輕松實現完全光子帶隙，其卓越的光學特性使其在諸如光子晶體、光捕獲應用、光波導和激光諧振器等領域中具有廣泛的應用前景。然而，SD作為一種熱力學亞穩態結構，其人工制備一直是科學界面臨的難題。

       韓璐教授團隊通過引入動力學和熱力學的雙重協同調控作用，成功實現了對SD結構的高效制備。他們利用聚環氧乙烷-b-聚苯乙烯（PEO-b-PS）共聚物與TiO2前驅體在特定溶劑中的協同自組裝過程，通過精確控制條件，使TiO2低聚物在成核位點處富集并生長，最終形成了獨立的SD結構域。經過煅燒去除聚合物模板后，得到了具有高度有序的SD介觀結構和銳鈦礦晶型的TiO2骨架。

圖1. SD骨架合成策略示意圖

       該研究團隊通過一系列的實驗手段對SD骨架結構進行了詳細的表征。小角X射線散射和廣角X射線衍射結果表明了樣品的高度有序性；掃描電鏡和透射電鏡的觀察進一步證實了SD結構的存在和高度有序性；電子晶體學三維重構所得靜電勢密度分布則證明了SD結構的四連接構型。此外，計算結果顯示該結構具有完全光子帶隙，為其在光子晶體等領域的應用提供了理論基礎。

圖2. SD骨架結構焙燒前后的結構表征

圖3. SD骨架的透射電子顯微分析及三維結構解析

圖4. SD骨架結構的光子帶隙圖

       韓璐教授表示，這一研究成果不僅解決了自組裝領域長期以來所追求的非平衡態結構的合成難題，而且為制備其他熱力學非平衡態結構提供了新的思路和方法。該方法在自組裝、仿生材料、下一代光學器件等領域具有廣闊的應用前景和重要意義。隨著這一“圣杯”結構的成功制備，相信未來光子晶體領域將迎來更多的突破和創新，為人類科技進步和社會發展帶來更多可能性。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2318072121