加州大学河滨分校殷亚东教授课题组《Nat. Commun.》：基于磁/等离子基元杂化纳米棒的机械响应变色材料

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具有可逆和可预测颜色变化的机械变色材料在机械传感器，防伪设备，仿生机器人和智能窗户中具有广泛的应用。当前大多数系统依赖于光子晶体，荧光材料和等离子体共振纳米材料。这些已经报道的机械变色材料只具有对拉伸和压缩等的简单变形的比色响应，并且还缺乏大规模制备的灵活性。因此，尽管生活中充满着各种复杂的线性和非线性的机械形变（如拉伸，压缩，旋转，弯曲和扭曲），制备可以检测这些形变的传感器仍然是一个挑战。

为了解决目前机械变色传感器的挑战，殷亚东教授课题组以李志伟博士为主要成员发展了一种非常规限域生长方法，并成功制备了磁/等离子体杂化纳米棒。这种杂化纳米棒具有耦合的磁性和等离子体各向异性。通过简单的施加磁场，他们的取向和局部表面等离子基元共振（LSPR）可以得到精确，可逆，瞬时的调控。利用这种磁响应的智能纳米棒，他们报道了一种制备机械变色传感器的通用策略。该策略首先将智能纳米棒与光敏聚合物的前驱体混合。然后，在光照引发聚合反应时施加一个均匀磁场。聚合完成时，杂化纳米棒就会被固定在聚合物基底中并且具有统一的，可控的取向。当受到外界作用力时，聚合物的弹性形变使得杂化纳米棒重新取向。通过观察颜色变化或者测量LSPR吸收峰强度的变化，可以准确计算聚合物弹性体的应变和外界应力的大小。针对不同的机械形变，通过设计杂化纳米棒的初始取向，可以制备相应的高灵敏度，可逆，和可观测的机械变色传感器。

图1. 基于磁响应智能纳米棒的机械变色传感器。

通过在磁性纳米棒和酚醛壳层之间的限域空隙中生长金，可以制备耦合磁和等离子体各向异性的杂化纳米棒。该方法制备的多功能纳米棒有很好的分散性和结构稳定性。并且，磁性纳米棒和金纳米棒具有完美的共同取向和结构比例。金纳米棒的长径比精确可调。其纵向等离子体吸收峰可以方便的从可见光调控到近红外区域。当施加均匀磁场时，纳米棒的长轴将沿着磁场方向取向。所以，金纳米棒的LSPR吸收峰强度可以快速，可逆地利用外加磁场调控。这种非常规的空间限域合成策略是通用的。通过改变初始模板的形状，大小，组分和生长金属的组分，这种方法可以用于制备各种各样的智能纳米材料。

图2. 磁性-等离子体杂化纳米棒的制备和表征。(a)合成方法。(b-e)纳米棒的透射电镜照片。(f) 磁性-等离子体杂化纳米棒的结构。(g-h)元素成像。

由于杂化纳米棒中互相耦合的磁和表面等离子体各向异性，在光聚合的时候施加一个均匀磁场可以有效的把它们按照一定的取向固定到聚合物基底中。这种策略有利于针对不同的机械形变和运动来设计纳米棒的初始取向以达到最优的传感灵敏度和复杂的机械变色响应。该研究发现，针对压缩和拉伸，杂化纳米棒的初始取向需要满足沿着表面法向45度左右才能达到最优灵敏度。同时，这种取向也使得机械变色薄膜对弯曲和旋转具有可视的，精确的颜色变化。为了实现对扭曲的响应，杂化纳米棒的初始取向需要沿着薄膜边缘45度的面内排列。当复合薄膜受到扭曲应力时，在一定的线性偏振光下会展现出明显的颜色变化。通过控制杂化纳米棒在复合薄膜不同区域中的取向，该报道发展了各种各样，具有复杂颜色变化，完全可逆的机械变色复合薄膜。

图3. 精确可控的机械变色响应：(a)弯曲；(b)旋转；(c-d) 扭曲。

以上成果发表在Nature communications上(Nat Commun 11, 2883 (2020))。该工作打开了磁性调节纳米结构物理性质用于智能材料的大门。其他相关工作已经完成或者正在进行中。论文的第一作者为加州大学河滨分校李志伟博士。李志伟博士的主要研究方向是纳米材料的限域生长，纳米结构的磁性组装和智能光学纳米材料。通讯作者为殷亚东教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16678-8

近期，该研究团队在磁性组装和智能光学纳米材料的成果还包括：

Smart materials by nanoscale magnetic assembly 

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201903467)

Stimuli‐responsive optical nanomaterials

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201807061)

Magnetic assembly of nanocubes for orientation-dependent photonic responses

(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b02984)

Colloidal Assembly and Active Tuning of Coupled Plasmonic Nanospheres

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589597420300988)

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