近100%自发卷曲的范德华极性材料 最新Nature Materials

一, [科学背景] 近年来, 二维材料因其独特的层状结构和可调控的电子性质而成为凝聚态物理和材料科学的重要研究方向. 通过调节二维材料层间的扭转角度与堆叠方式, 科学家能够构建出具有人工莫尔条纹的体系, 从而诱导出一系列集体量子态与强关联效应, 这一领域被称为“扭转电子学(twistronics)”. 然而, 除平面或扭转结构外, 研究者逐渐意识到, 若能在一维卷曲体系中操控材料的几何形态, 如曲率, 手性及层间相互作用, 则有望实现更丰富的量子调控途径, 拓展出新的“卷曲电子学(rolltronics)”研究方向. 二维材料卷曲形成的一维纳米卷(nanoscroll)不仅展现出与母体材料截然不同的物理性质, 还因其内部空腔和范德华间隙为化学反应, 激子—极化子及离子传输等提供了独特的受限环境. 然而, 大多数二维材料由于具有面外镜面对称性, 能量在零曲率时最低, 因而难以自发弯曲卷起. 目前常用的方法依赖外部驱动力来诱导卷曲, 但这些方法往往存在产率低, 可控性差, 依赖模板或外源纳米粒子的缺陷. 因此, 如何在无需外部驱动的情况下实现二维极性材料的自发卷曲, 成为该领域亟待解决的关键科学问题. 二, [创新成果] 近日, 东南大学物理学院李泽军教授, 新加坡国立大学化学系吕炯教授, 东南大学物理学院陈乾教授, 万东阳教授在Nature Materials上发表了题为“Near-100% spontaneous rolling up of polar van der Waals materials”的论文, 该研究通过电化学插层/剥离过程实现极性范德华材料的自发卷曲, 制备出具有可控方向和高产率的一维纳米卷. 研究首次实现了基于内在极化驱动力的可规模化自卷纳米结构制备, 开辟了设计量子固体和范德华超晶格的新途径. 图1. 通过插层调控实现极性范德华材料一维纳米卷与二维片层的可控合成的几何工程 © 2025 Springer Nature 图2 一维M3X8和M3QX7纳米卷的结构与成分表征 © 2025 Springer Nature 图3 一维M3X8和M3QX7纳米卷的卷曲取向 © 2025 Springer Nature 图4 一维M3X8和M3QX7纳米卷的SHG响应 © 2025 Springer Nature 三, [科学启迪] 该项成果揭示了极性二维材料可通过内禀面外电极化驱动实现自发卷曲, 为一维纳米卷的可控, 可规模化合成开辟了全新路径. 这一机制突破了传统依赖外部驱动力的局限, 实现了高产率, 可重复且具有明确卷曲取向的结构构筑. 其所形成的纳米卷展现出层数无关的反演对称性破缺与显著增强的二次谐波响应, 性能超越常规二维材料, 显示出在非线性光学, 量子光子学及纳米电子学领域的巨大潜力. 该研究不仅拓展了范德华材料结构设计的维度, 也为人工量子固体与高阶超晶格的构筑提供了新思路, 对推动“卷曲电子学”与低维量子器件的发展具有深远的科学启示与应用前景. 原文详情:https://www. nature. com/articles/s41563-025-02357-w