近日，物质学院马延航课题组提出了一种使用电子显微镜确认晶体手性的新方法。该方法基于球差校正扫描透射电子显微镜原子分辨成像，通过拍摄单颗手性晶体沿不同带轴的高分辨图像，结合结构模型和图像模拟，成功实现了在原子尺度上直接确认晶体的左右手性。此项成果以“Atomic-level handedness determination of chiral crystals using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy”为题发表在Nature Communications上。
手性在自然界中非常常见。两个化学组分完全相同的手性异构体，其性质却可能完全不同。一个典例就是手性沙利度胺（Thalidomide），一种对映体是有效的镇静剂，而另一种则可能导致胎儿畸形。因此，有效的手性判定对于手性材料的研究开发有着重要意义。传统的手性判定主要依赖于单晶X射线衍射，但该方法需生长大尺寸且高质量的单晶，对于纳米晶体及结晶性较差材料的手性判定仍是巨大挑战。
此前，马延航教授和Osamu Terasaki教授等研究团队开发了系列透射电子显微高分辨图像和旋进电子衍射的电子显微晶体学方法，成功用于纳米分子筛晶体的手性确认（Nat Mater. 2017, 16, 755-760），并因其在手性分子筛表征工作中的重大贡献获得了2019年度国际分子筛学会最高荣誉奖Donald W. Breck奖。
在该工作中，研究人员首先选择了具有P3121和P3221空间群的手性碲（Te）晶体作为研究对象，在结构模型中可以看出（图1），沿[010]方向左右手性结构的投影相同，而将结构模型沿c轴逆时针旋转至[120]带轴时，两个手性结构的投影就不再相同。通过拍摄[010]和[120]带轴方向的系列倾转扫描透射电子显微镜高分辨图像（图2），结合[120]方向中Te原子排列在水平方向上的弯曲方向，可以判定该颗晶体为左手手性。研究人员也选用了具有P6222和P6422空间群的手性二硅化钽（TaSi2）作为研究对象，进一步验证了该方法的可行性和普适性。
图1：Te晶体左(P3221)右(P3121)手性结构的系列倾转结构模型
图2：单颗Te晶体沿[010]和[120]带轴的STEM图像
上海科技大学为该研究成果的唯一完成单位，物质学院2018级硕士研究生董卓雅为第一作者，马延航教授为通讯作者。物质学院电镜中心主任Osamu Terasaki教授提出了有益的建议并给予大力支持，该成果也得到了英国Cardiff大学 Kenneth D.M. Harris教授的帮助。上科大物质学院电镜中心为实验提供了仪器及技术支持，实验主要在物质学院电镜中心的球差校正扫描透射显微镜GrandARM 300F上完成。该项工作也受到了上海浦江人才计划、中国晶体学会青年人才托举工程、国家自然科学基金的资助 。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15388-5