加州大学河滨分校殷亚东教授团队Precision Chemistry | 胶体纳米颗粒组装中磁诱导的非各向异性相互作用

英文原题：Magnetically Induced Anisotropic Interaction in Colloidal Assembly

通讯作者：殷亚东，加州大学河滨分校

作者：Qingsong Fan (范庆松), Zhiwei Li (李志伟), Chaolumen Wu (吴朝鲁门), Yadong Yin* (殷亚东)

背景介绍

与单独的纳米颗粒相比，由纳米颗粒组成的有序组装结构有时具有一些在光学，催化，磁性，机械性能方面更加优异的表现。自下而上的自主装相比与传统的基于光刻等自上而下的方法，在获得有序的纳米结构上具有成本低，可大面积制备等优点， 因此近年来备受关注。过去很多纳米颗粒自主装的研究着重于研究球状颗粒的组装行为和结构，对于非球状颗粒的组装研究较少，主要是因为其组装需要对颗粒的朝向进行额外的统一控制，否则难以获得大面积的规整有序结构。

由于磁性纳米颗粒和外界磁场存在Zeeman相互作用，当非球状的纳米颗粒中包含磁性组分时，它们的朝向可以方便地由外界提供的磁场进行统一的控制，极大地克服了上述问题，因此磁场诱导定向组装被广泛应用在非球状磁性纳米颗粒组装领域。近年来，基于磁场诱导定向组装技术，研究人员报道了许多由非球状纳米颗粒组装形成的超结构，包括纳米棒，纳米块，纳米盘等。本综述基于已报道的研究结果，总结和概述了该领域的一些基本知识，所获得的超结构，以及与这些超结构相关的应用，并基于研究现状提出了一些未来可能的研究方向和所面临的挑战。

文章亮点

本综述从单个纳米颗粒的磁能量构成入手，探讨了决定其在磁场中磁化方向的各种因素。纳米颗粒在磁场中通常会展现出某个方向的优先磁化现象（例如棒状纳米颗粒通常会沿着其长轴磁化），该方向被称为易磁化方向。颗粒的易磁化方向取决于多种因素，其中最重要的是组成材料的磁晶和形状， 而前者又由颗粒的组成材料，晶型，晶区大小决定。了解纳米材料的易磁化方向，是获得和分析其有序组装结构的第一步。

图1：由磁性纳米棒和纳米块所自组装形成的超结构

图2：由花生状微米颗粒，以及各种具有非对称磁组分的颗粒组装而成的超结构

该综述的主体内容（第四部分）按照纳米颗粒的形状展开，分别讨论了纳米棒，纳米块， 纳米盘，花生形状颗粒以及复合材料纳米颗粒的情形。其中每种形状又先讨论了其常见的易磁化方向，之后具体讨论了基于该形状的颗粒的组装行为以及所获得的有序组装结构。文章的第五部分简单介绍了这些有序结构的应用，包括了光子晶体，磁响应液晶，非稀土元素永磁体，以及机械增强材料。

图3：磁性纳米材料组装结构的部分相关应用

总结/展望

尽管磁性纳米颗粒可以利用磁场来很好的控制单个颗粒的朝向，但是目前对于该领域的研究和认识依然停留在比较初级的阶段。作者认为，未来该领域的研究方向会主要包括：（1）对于多种不同的磁性颗粒混合在一起的组装行为和结构的研究；（2）非球状磁性颗粒及其组装结构在生物材料方面的应用；（3）对于功能性材料和磁性组分的混合材料的组装研究；以及（4）对于磁性纳米颗粒在动态磁场下的组装行为的研究。

相关论文发表在以精准为导向的高质量期刊Precision Chemistry上，加州大学河滨分校博士研究生范庆松为文章的第一作者，殷亚东教授为通讯作者。

通讯作者信息

范庆松，殷亚东（合影于2023博士毕业典礼）

殷亚东，加州大学河滨分校教授。1996年及1998年于中国科学技术大学获得学士及硕士学位，2002年于美国华盛顿大学获博士学位，师从夏幼南教授，之后在美国加州大学伯克利分校与劳伦兹伯克利国家实验室工作，导师为A. Paul Alivisatos教授。2006年起就职于加州大学河滨分校，其研究领域包括纳米材料的合成，表征与应用；光子晶体的组装和应用；胶体和界面化学；以及基于纳米结构的智能材料。

课题组主页：

http://faculty.ucr.edu/~yadongy/

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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