低维材料因其独特的结构特征与高度可调的物性，被视为突破现有信息器件性能极限的关键。其中，磷基低维半导体以其优异的电学与光学性能，展现出巨大的应用潜力。然而，其本征的结构不稳定性与环境敏感性，尤其在一维/二维尺度下严重的氧化与降解倾向，已成为制约其深入研究和实际应用的关键瓶颈。 现有稳定策略多依赖于外部包覆或环境隔离，虽能暂缓退化，却治标不治本，往往以牺牲材料本征优异性能为代价。因此，如何从原子结构设计这一根源出发，在确保性能的前提下实现低维磷材料的内禀稳定化，是攻克该领域瓶颈、释放其全部潜能所必须解决的核心科学问题。

为攻克这一关键难题，南京航空航天大学郭万林教授、台国安教授与东京大学Naoji Matsuhisa副教授联合指导的中日合作团队，将原子级结构设计作为核心策略，开展了创新研究。团队成功构筑出一种在无机材料中极为罕见的“磷-锂双螺旋纳米带”全新结构，并系统揭示了其内在的优异环境稳定性、可调光学性质与独特的光热功能。该研究为从本征层面实现低维磷材料的性能与稳定统一提供了全新范式，相关成果以“Phosphorus-lithium double-helix nanoribbons”为题发表于国际顶级期刊 Science Advances。

一、结构设计：无机材料中的“双螺旋”

图1. 磷-锂双螺旋纳米带结构与形貌表征

为突破低维磷材料稳定性差的普遍局限，研究团队基于理论预测，首次在实验上成功构筑出由P₇原子笼与锂原子周期性交替排列而成的磷-锂双螺旋纳米带（图1）。该结构呈现出高度有序的左右手性螺旋交替，其整体空间构型类似于“中国结”，属于典型的非中心对称无机双螺旋晶体。通过系统表征（包括扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜及选区电子衍射等），证实所得纳米带具有高结晶性、高纵横比等特征，其厚度约为3.11纳米（约5层原子），宽度可达百纳米，长度则达十微米以上。

二、稳定性突破：从结构本征层面解决难题

图2. 磷-锂双螺旋纳米带稳定性的验证

与在空气中数小时即严重氧化的传统黑磷纳米带相比，磷-锂双螺旋纳米带展现出优异的环境稳定性（图2）。实验表明：该材料在225°C的空气中晶体结构依然稳定；在水中浸泡超过30天无显著退化；甚至在1 M盐酸中处理1小时后仍能保持晶格完整。这种卓越的耐热、耐水、耐酸特性，源于其独特的结构设计。研究团队结合实验与第一性原理计算揭示，其超强稳定性是Zintl相电子转移、螺旋链间非共价相互作用，以及双螺旋构型本身物理屏蔽效应三者协同作用的结果。这标志着从本征结构层面，成功攻克了长期困扰低维磷材料的稳定性难题。

三、可重构光学：从调控机制到光子功能拓展

图3. 磷-锂双螺旋纳米带的可调光学性能表征

在光学性质方面，该磷-锂双螺旋纳米带展现出优异且可调谐的响应特性（图3）。其带隙可在2.13 eV（单层）至1.78 eV（多层） 范围内连续调控。得益于其一维结构特征，材料表现出显著的拉曼与光致发光各向异性：偏振相关的测试结果明确揭示了其光学响应强烈的方向依赖性。此外，该材料还具备稳定的二次谐波产生非线性光学效应，且在 -190°C 至 120°C 的宽温区内保持优异的光谱稳定性。这些特性使其在偏振敏感光电探测、非线性光学转换及光子信息调控等领域具有明确的应用潜力。

四、应用初探：光热转换水凝胶体系开发

图4. 基于磷-锂双螺旋纳米带所构建的高性能光热水凝胶

得益于磷-锂双螺旋纳米带优异的水稳定性，研究团队成功将其引入水凝胶基质，进而构筑出一种集高导电性、自修复能力与高效光热转换于一体的多功能复合水凝胶。性能测试表明，在530 nm可见光照射下，该材料的光热转换效率高达40.4%，并且经历多次升降温循环后性能几乎无衰减，展现出卓越的服役稳定性。这一特性组合，使其在光热成像、精准温控、潜在的光热治疗以及柔性生物电子界面等领域展现出广阔的应用前景，为开发新型智能生物医用材料提供了创新平台。

研究意义与展望

从更广泛的研究视角来看，该工作的意义首先体现在研究范式层面的拓展。该研究将“双螺旋”这一经典结构范式从生命体系引入无机低维材料领域。研究结果表明，通过合理的原子级结构设计，无机材料同样能够形成高度有序且稳定的双螺旋构型，从而为复杂结构在低维无机体系中的实现开辟了新的研究路径。在这一结构创新的基础上，研究进一步回应了低维磷材料长期面临的稳定性瓶颈。不同于传统依赖外部包覆或表面修饰的稳定化策略，该工作通过结构本征设计实现了低维磷材料稳定性的显著提升，提出了一种“以结构促稳定”的材料设计思路，为解决其他低维不稳定元素材料在实际环境中的稳定性问题提供了可借鉴的研究范式。

在结构创新与稳定性提升的共同作用下，研究团队系统建立了磷-锂双螺旋一维纳米结构的 “结构—稳定性—功能” 内在关联性，不仅拓展了低维磷材料的结构类型，也为复杂结构在无机低维体系中的构筑提供了新的理论与实验依据。相关成果有望推动低维功能材料在光学、光热及柔性功能器件等方向的进一步研究与发展。

论文第一作者：

侯闯，南京航空航天大学航空学院工学博士毕业，现为东京大学博士后研究人员，主要从事磷基与硼基低维纳米材料的可控制备及其物性调控研究。相关研究成果发表于 Science Advances、Angewandte Chemie International Edition、Nano Energy等国际学术期刊。

       陆欢，南京航空航天大学航空学院工学博士毕业，主要从事低维功能材料表界面的物理力学性质研究。相关成果发表于 Science Advances、Advanced Materials、Physical Review B等国际学术期刊。

论文通讯作者：

郭万林，中国科学院院士、南京航空航天大学教授，长期从事纳尺度物理力学理论及功能器件基础研究。他在低维材料结构设计、力-电-磁-光-热多场耦合机制等方面建立了系统理论体系，并提出了“水伏学”等前沿理念（Nature Nanotech.2014, 9, 378; Nature Nanotech. 2018, 13, 1109等），开辟了绿色能源新方向。相关成果涵盖纳米体系结构设计、能量转换、发电机制与能源电池等（Joule2022, 6, 690; Science2024, 385, 433; Science2025, 388, 957等），为新型能源材料与器件研究奠定了重要理论与实验基础。

       台国安，南京航空航天大学教授，长期从事硼基二维材料的实验制备与性能研究，致力于解决这一类材料的可控合成与环境稳定性难题。他在二维硼基材料实验发展史上取得了具有里程碑意义的原创性成果：于 2015 年在国际上首次通过化学气相沉积法在铜箔基底上成功生长出 γ-B₂₈ 相硼单层（Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 15473），标志着二维硼基材料从理论预测向实验可控制备迈出了关键一步。此后，他长期致力于解决硼烯的环境稳定性、化学修饰与结构调控等关键问题，系统开展了高质量硼烯基二维材料与功能器件的实验研究（Angew. Chem., Int. Ed., 2020, 59, 10819;Angew. Chem., Int. Ed., 2025, 63, e202416041;Angew. Chem., Int. Ed. 2025, 64, e202501550; Angew. Chem., Int. Ed., 2025, 64, e202516206 等），为二维硼材料在电子、光电与能源器件中的应用奠定了重要基础。

Naoji Matsuhisa，东京大学副教授，致力于柔性电子材料与器件的开发与系统集成。他的团队围绕软性导电材料、可拉伸半导体及柔性传感器件开展研究（Nature Electronics2019, 2, 361; Nature2021, 600, 246;Adv. Mater.2025, 2502727等），通过纳米/微结构调控提升柔性器件的电学与机械性能，推进高密度可拉伸传感阵列、柔性显示和可穿戴系统等方向的发展。这些研究为下一代与人体高度兼容的电子系统、可穿戴设备和人机交互技术提供了材料与器件基础。   

    论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adz4766

    一审：史欣  二审：周琳  三审：董昊