在材料科学领域，材料的手性尤为重要，涉及到分子结构的对称性问题，手性材料在药物输送、光学器件和生物医学等领域具有广泛应用，但手性材料在极端条件下的结晶行为仍是一个未被充分探索的领域。

近日，山东大学材料科学与工程学院赵国群教授与张磊研究员等研究发现，单手性聚乳酸（PLA）在高压CO2中的结晶过程发生了反常手性对称恢复现象，并以“Chirality Hierarchical Transfer in Homochiral Polymer Crystallization Under High-pressure CO2”为题，发表于国际期刊Nature Communications。 

作者利用自主研制的高压宽温域多光学原位观测与表征仪器，研究了高压CO2条件下左旋聚乳酸（PLLA）和右旋聚乳酸（PDLA）的结晶行为及其手性层级传递。

研究发现，在高压CO2作用下，单手性聚乳酸能够形成两种具有相反螺旋手性的涡旋状树枝晶以及无螺旋手性的雪花状树枝晶，在无对映异构化的情况下，单手性聚合物分子向非手性晶体的转变实际上是手性对称性恢复，这一现象打破了有序相变通常与对称性破缺相关的常规认识。研究表明，聚乳酸晶体的链倾斜、表面应力和受挫结构是导致单手性聚乳酸在结晶过程中手性层级传递多样性的主要因素，CO2的熵效应所引发的α-β晶型转变能够控制聚乳酸晶体超结构的手性。

这项研究揭示了高压CO2环境下手性聚合物结晶过程中的手性对称性恢复现象，对于理解手性材料在极端条件下的凝聚态演变行为具有重要意义。通过调节CO2的压力和温度等外部条件，可有效控制手性聚合物的结晶形态，这为手性材料设计和应用开辟了一条新途径，在优化手性材料性能方面具有潜在的应用价值。

图为高压宽温域多光学原位观测与表征仪器所观测的单手性聚乳酸在高压CO2中的手性层级传递及机理。(A) PLLA的左旋树枝晶，(B) PLLA的无螺旋雪花状树枝晶，(C) PLLA的右旋树枝晶，(D) PDLA的右旋树枝晶，(E) PDLA的无螺旋雪花状树枝晶，(F) PDLA的左旋树枝晶，(G)自主发明和研制的多光学原位观测和表征仪器，(H) CO2压力突变诱导的晶体反向弯曲生长，(I) 同步改变CO2压力和结晶温度诱导的晶体反向弯曲生长，(J) 单手性聚乳酸在高压CO2中的手性层级传递机理。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51292-y