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       近日，同济大学化学科学与工程学院韩璐教授团队在光子晶体领域取得重大突破，成功实现了单金刚石（SD）曲面二氧化钛骨架的自组装构筑，这一成果被誉为光子晶体结构的“圣杯”。相关研究论文已发表于国际权威学术刊物《美国科学院院刊》（PNAS）。

       单金刚石（SD）曲面结构，常见于甲虫和象鼻虫的外骨骼中，其独特的负高斯曲率曲面与立方金刚石晶格网络的完美结合，赋予这些昆虫绚丽的结构色，SD结构具有迄今报道的最宽的完全光子带隙，并且可以利用已知材料在约1.9的介电常数对比度条件下轻松实现完全光子带隙，其卓越的光学特性使其在诸如光子晶体、光捕获应用、光波导和激光谐振器等领域中具有广泛的应用前景。然而，SD作为一种热力学亚稳态结构，其人工制备一直是科学界面临的难题。

       韩璐教授团队通过引入动力学和热力学的双重协同调控作用，成功实现了对SD结构的高效制备。他们利用聚环氧乙烷-b-聚苯乙烯（PEO-b-PS）共聚物与TiO2前驱体在特定溶剂中的协同自组装过程，通过精确控制条件，使TiO2低聚物在成核位点处富集并生长，最终形成了独立的SD结构域。经过煅烧去除聚合物模板后，得到了具有高度有序的SD介观结构和锐钛矿晶型的TiO2骨架。

图1. SD骨架合成策略示意图

       该研究团队通过一系列的实验手段对SD骨架结构进行了详细的表征。小角X射线散射和广角X射线衍射结果表明了样品的高度有序性；扫描电镜和透射电镜的观察进一步证实了SD结构的存在和高度有序性；电子晶体学三维重构所得静电势密度分布则证明了SD结构的四连接构型。此外，计算结果显示该结构具有完全光子带隙，为其在光子晶体等领域的应用提供了理论基础。

图2. SD骨架结构焙烧前后的结构表征

图3. SD骨架的透射电子显微分析及三维结构解析

图4. SD骨架结构的光子带隙图

       韩璐教授表示，这一研究成果不仅解决了自组装领域长期以来所追求的非平衡态结构的合成难题，而且为制备其他热力学非平衡态结构提供了新的思路和方法。该方法在自组装、仿生材料、下一代光学器件等领域具有广阔的应用前景和重要意义。随着这一“圣杯”结构的成功制备，相信未来光子晶体领域将迎来更多的突破和创新，为人类科技进步和社会发展带来更多可能性。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2318072121