为了方便各位同学交流学习，解决讨论问题，我们建立了一些微信群，作为互助交流的平台。2.告知:姓名-课题组-研究方向，由编辑审核后邀请至对应交流群(生长，物性，器件)；欢迎投稿欢迎课题组投递中文宣传稿，免费宣传成果，发布招聘广告，具体联系人：13162018291（微信同号）在生物化学和物理学领域，特别是在催化领域，手性是一个重要的基本属性。了解手性传递的机制对于深入理解手性相关的催化反应至关重要。具有独特手性依赖电子特性的手性量子材料，如自旋轨道耦合（SOC）和奇特的自旋/轨道角动量（SAM/OAM），为连接固体拓扑结构与手性催化提供了新的途径。总的来说，拓扑同手性晶体为理解手性传递和实现手性选择性催化提供了新的视角和机会。然而，要充分发挥拓扑同手性晶体的潜力，仍需解决许多挑战，包括提高材料的合成效率、理解其电子结构和反应机制以及优化催化剂设计。随着这些问题的解决，THCs有望在未来的化学物理研究和工业催化中发挥越来越重要的作用。鉴于此，近日来自德国马普所的Xia Wang, Changjiang Yi和Claudia Felser在Advanced Materials上以Chiral Quantum Materials: When Chemistry Meets Physics为题发表综述文章，综述了拓扑同手性晶体（THCs）的生长，并总结了它们在异相催化中的应用，包括氢气生成反应（HER）、氧气电催化以及不对称催化，并探讨了手性依赖电子特性与异相催化之间的可能联系，阐述了该领域存在的挑战，并简要展望了THCs对化学物理研究的影响。 ![]()
图1. 在化学和物理学中，手性物体包括手性分子和晶体、手性催化、手性结构中的手性电荷转移、手性声子、手性拓扑表面态以及手性电荷密度波。
图源： Advanced Materials (2023).
手性这一概念在化学和物理学中有着广泛的应用，它涉及到物质的旋光性、分子结构、晶体结构、化学反应等多个方面。手性是指一个物体不能与其镜像相重合的特性。更具体地说，手性是指一个物体与其镜像在三维空间中无法通过旋转或平移完全重合的性质。这种特性在自然界中广泛存在，例如生物体的左右手、植物的螺旋生长等。在化学领域中，手性特指分子的立体构型与其镜像不相同的性质。手性的起源可以追溯到19世纪，当时科学家们开始发现某些化合物具有旋光性，即能使偏振光发生旋转的性质。这种旋光性是由分子的手性引起的，因为只有手性分子才能使偏振光发生旋转。随着研究的深入，人们逐渐认识到手性在自然界和化学反应中的重要性，并开始在手性合成、手性分析等领域展开研究。 根据手性中心的不同，可以将手性分为中心手性和轴手性两种类型。中心手性是指分子中的一个碳原子连接了四个不同的基团，使得该碳原子具有手性。轴手性是指分子中的一个碳-碳键连接了两个不同的基团，使得该碳-碳键具有手性。此外，还有螺旋手性和对映异构等分类方式。手性在生物活性和药物设计中具有重要意义。许多生物分子，如蛋白质、糖和核酸等都具有手性，这些分子的手性对其生物活性和功能起着至关重要的作用。药物中的手性中心往往与药物的活性、选择性及药效等密切相关。例如，某些药物的两种对映体可能具有完全不同的药效和毒性，因此在进行药物设计和开发时需要特别注意对映体的选择性。旋光性是手性的一个重要表现形式，是指物质能使偏振光发生旋转的性质。旋光性的产生需要满足三个条件：物质必须是线性的，即物质中存在一个或多个不对称中心；偏振光的振动方向与物质的光轴方向不平行；物质必须是透明的，即物质的折射率与偏振光的振动方向相同。旋光性的大小用旋光度来表示，其值取决于分子的构型和构象。在手性合成方面，人们已经开发出了多种有效的合成方法来制备手性化合物。其中，不对称合成是最常用的方法之一，它利用手性催化剂或手性溶剂等手段来诱导反应向特定的方向进行，从而获得高光学纯度的产物。此外，手性拆分也是分离手性化合物的重要手段之一，常用的方法有结晶法、色谱法等。除了在化学和生物学领域中的应用外，手性在物理和材料科学中也具有广泛的应用价值。例如，在自旋电子学中，人们利用手性材料来控制电子的自旋方向；在手性超导体中，人们研究手性超导体的特殊性质；在手性功能材料中，人们利用手性材料来开发新型的功能器件等。 手性是一个非常重要的概念，它涉及到多个领域的应用和研究。从定义和起源上来看，手性是物质的一种独特性质，它涉及到物质的旋光性、分子结构等多个方面。在手性和生物活性的关系方面，许多生物分子和药物都具有手性中心，这些中心对其生物活性和功能起着至关重要的作用。此外，人们已经开发出了多种有效的合成和拆分方法来制备和分离手性化合物。最后，手性在物理和材料科学中也具有广泛的应用价值。![]()
图2. 手性物体的表征。
图源： Advanced Materials (2023).
手性量子材料是一种具有独特手性依赖电子特性的新型材料，它们在自旋轨道耦合、拓扑相变和量子计算等领域具有广泛的应用前景。手性量子材料是指具有手性特性的量子材料，它们具有非对称的原子排列或分子构型，使得其能带结构和自旋轨道耦合等性质与普通材料不同。手性量子材料在自旋电子学、拓扑物态和量子计算等领域具有重要的应用价值。
手性量子材料的起源可以追溯到20世纪初，当时人们对物质的微观结构和量子力学的研究逐渐深入。随着人们对物质结构认识的不断深入，人们发现许多材料都具有手性特性，例如蛋白质、糖和氨基酸等。这些手性物质在自然界中广泛存在，并且与生物活性和功能密切相关。因此，手性量子材料的发现和研究，使得人们可以在更微观的尺度上探索物质的性质和行为。对于手性量子材料的表征，由于其具有独特的物理和化学性质，需要采用多种手段和方法进行深入的研究。其中，最常用的方法之一是X射线晶体学。X射线晶体学是一种通过X射线分析晶体结构的学科，它可以确定材料的晶体结构和原子排列。在手性量子材料的表征中，X射线晶体学发挥着重要的作用。通过X射线分析，可以获得关于材料手性特性的详细信息，例如分子的立体构型、分子间的相互作用以及电子密度等。这些信息对于理解手性量子材料的物理和化学性质以及潜在的应用具有重要的意义。除了X射线晶体学外，还有其他多种手段可以用于手性量子材料的表征。例如，电子显微镜和光学显微镜可以直接观察材料的微观结构和形貌。通过这些手段，可以观察到手性量子材料的特殊结构特征，例如分子排列、晶格结构和表面形貌等。此外，拉曼光谱是一种基于拉曼散射效应的谱学技术，它可以提供关于材料内部结构和化学键的信息。通过拉曼光谱分析，可以了解手性量子材料的能带结构和自旋轨道耦合等性质。这些表征方法不仅可以提供关于手性量子材料的基本信息，还可以为进一步的研究和应用提供重要的参考。例如，通过分析手性量子材料的能带结构和自旋轨道耦合，可以深入了解其电子特性和磁学性质，为开发新型的自旋电子器件和磁存储介质等提供理论支持。同时，这些表征方法也可以用于研究手性量子材料在环境中的稳定性和降解行为，为其在实际应用中的可持续性和环境友好性提供依据。 手性量子材料可以分为多种类型，其中最常见的是手性半导体和手性超导体。手性半导体是指具有手性特性的半导体材料，它们在自旋电子学和拓扑物态等领域具有重要的应用价值。例如，人们可以利用手性半导体材料制备自旋电子器件和拓扑绝缘体等。手性超导体是指具有手性特性的超导材料，它们在高温超导和拓扑超导等领域具有重要的应用价值。例如，人们可以利用手性超导体材料制备高温超导材料和拓扑超导材料等。图3. 拓扑同手性晶体在能量转化方面的应用。
图源： Advanced Materials (2023).
随着研究的深入和技术的发展，手性量子材料的应用前景越来越广阔。首先，在手性半导体材料方面，人们可以利用其独特的手性电子特性制备新型的自旋电子器件和拓扑绝缘体等，为未来的信息技术和量子计算等领域提供新的技术手段。其次，在手性超导体材料方面，人们可以利用其高温超导和拓扑超导等特性，为未来的能源传输和存储等领域提供新的解决方案。此外，手性量子材料还可以应用于光学、磁学和化学等领域，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。 总之，手性量子材料是一种具有独特手性依赖电子特性的新型材料，它们在自旋电子学、拓扑物态和量子计算等领域具有重要的应用价值。随着研究的深入和技术的发展，相信手性量子材料将会在更多领域得到应用和发展。同时，我们也应该注意到，目前对于手性量子材料的研究还处于初级阶段，需要更多的研究和探索来深入了解其性质和行为，为未来的应用和发展奠定基础。
参考文献：Xia Wang et al., Chiral Quantum Materials: When Chemistry Meets Physics. Advanced Materials (2023).
https://doi.org/10.1002/adma.202308746
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