环状胶粒是一类具有非凸拓扑结构的胶体颗粒，因其独特的几何构型而成为构建复杂多层级自组装材料的新型基元。其特有的拓扑特征不仅赋予单粒子及组装体潜在的光电磁性能，也为先进材料设计开辟了新路径。然而，如何充分发挥环状拓扑结构在自组装材料性能提升中的优势，仍是该领域亟需解决的关键问题。

在国家自然科学基金委、科技部及中国科学院的支持下，化学研究所高分子物理与化学实验室刘冰课题组围绕环状胶粒的合成、自组装及功能材料开展了一系列研究。早期工作中，他们提出“patchy模板合成”策略，利用固体胶粒模板实现了二氧化硅环的高效制备（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9807-9811, Hot paper）。在此基础上，系统研究了环状胶体中的Plateau–Rayleigh不稳定性，揭示了其在Janus环及多patchy环状颗粒合成中的作用（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16884-16888）。随后，通过抑制该不稳定性，实现了对聚合物溶液环的收缩调控，发展出聚合物盘状胶粒的普适性合成方法（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1790-1797）。利用高均一环状模型体系，课题组进一步探索其自组装行为，发现了新颖的有序结构及调控机制，构建了柱状液晶多孔材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202112507, Hot paper）。为拓展环基材料功能，他们还将“patchy模板合成”策略拓展至液滴模板体系，实现了多种材料（尤其碳环）的高效合成，并将其用于构建自支撑电极，展现出优异的锂氧电池性能（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 27664）。利用环在乳液界面的组装，构建了界面覆盖率低但乳液稳定性反而加强的新型Pickering乳液，为高效的界面催化提供了新思路（Nat. Commun. 2025, 16, 2490）。

最近，课题组提出一种简便可控的胶体自组装策略，成功构筑了环状胶粒的向列相液晶结构。研究发现，环状胶粒本身难以形成向列相，但借助盘状胶体的液晶行为，可通过沉降驱动自组装实现环状胶粒的向列相有序。该结构提供了取向有序的大孔通道，有助于物质/离子的定向传输，并可直接形成自支撑整体电极。在锂氧电池中，该材料首圈放电比容量高达32785 mAh g⁻¹，较无序结构提升约60%。进一步分析表明，环状颗粒的取向有序度与放电容量呈正相关，性能提升归因于向列相结构所引导的离子定向传输、结点均匀分布及电场协同作用。该研究为电极材料的结构设计提供了新思路。相关成果以“Engineering Freestanding Porous Carbon Electrodes by Self-Assembled Colloidal Liquid Crystalline Phase”为题发表于Journal of the American Chemical Society（2026, DOI: 10.1021/jacs.5c22053），论文第一作者为博士生李明坤，共同第一作者为沈珍珍博士，通讯作者为刘冰研究员和文锐研究员。

环状碳胶体向列相液晶结构及其锂氧电池性能

高分子物理与化学实验室

2026年3月11日