中國科大新型手性無機(jī)納米材料的研制取得新進(jìn)展
手性材料在推動(dòng)生物標(biāo)記、手性分析和檢測、對(duì)映異構(gòu)體選擇性分離、偏振相關(guān)光子學(xué)和光電子學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。目前，傳統(tǒng)手性納米材料主要是通過引入手性配體或構(gòu)造螺旋結(jié)構(gòu)等電偶極矩調(diào)控方式構(gòu)筑，但這類手性材料在環(huán)境穩(wěn)定性和導(dǎo)電性方面通常存在局限性，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。探索新的調(diào)控機(jī)制并構(gòu)筑新型手性納米功能材料是突破這一科學(xué)瓶頸的新途徑。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)與國家納米科學(xué)中心唐智勇研究員課題組、多倫多大學(xué)Edward Sargent教授團(tuán)隊(duì)開展多方合作，在新型手性無機(jī)納米材料合成研究中取得突破性進(jìn)展。研究人員首次通過在一維納米結(jié)構(gòu)單元中定點(diǎn)選擇性復(fù)合磁性材料，利用局域磁場調(diào)制電偶極矩與磁偶極矩之間的相互作用，成功合成了一類新型手性無機(jī)納米材料。該成果以“Regioselective magnetization in semiconducting nanorods”為題在線發(fā)表《自然納米技術(shù)》雜志上(Nat. Nanotechnol. 2020, 10.1038/s41565-019-0606-8)。
圖1：一維納米棒的位點(diǎn)選擇性磁化。（a-c）異質(zhì)成核生長與兩種材料間接觸角的關(guān)系總結(jié)。（d）“雙緩沖層”策略實(shí)現(xiàn)磁性組分在納米棒端點(diǎn)的選擇性生長。
俞書宏院士團(tuán)隊(duì)長期開展功能無機(jī)納米材料的合成方法學(xué)研究，在膠體納米晶成核生長方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。構(gòu)建此類磁光手性納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的前提是在特定位置引入局域磁場，因而需要實(shí)現(xiàn)磁性單元的位點(diǎn)選擇性生長。研究人員基于材料間接觸角與異質(zhì)成核生長的相互關(guān)系（圖1a-c），提出了一種“雙緩沖層設(shè)計(jì)”合成策略（圖1d），通過次序引入中間緩沖層改變材料間的界面能差異，從而解決了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料與磁性材料間的晶格和化學(xué)失配問題，巧妙地實(shí)現(xiàn)了磁性材料在不同半導(dǎo)體特定位置的選擇性生長。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在納米結(jié)構(gòu)中引入局域磁場可實(shí)現(xiàn)對(duì)電偶極矩與磁偶極矩的有效調(diào)控。通過構(gòu)筑這類新型磁光納米材料，能夠?qū)崿F(xiàn)磁誘導(dǎo)光學(xué)活性，為開發(fā)新型手性無機(jī)納米材料提供了新途徑。他們以常見的一維硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體納米棒為例，通過在納米棒的頂點(diǎn)處集成Ag2S/Au核殼結(jié)構(gòu)組分，催化Fe3O4磁性納米顆粒的定點(diǎn)生長，成功構(gòu)筑了ZnxCd1-xS-Ag2S/Au@Fe3O4 (x = 1, 0.9, 0.5, 0.3, 0) 四元異質(zhì)納米棒（圖2）。得益于這種局域磁場調(diào)控機(jī)制，異質(zhì)納米棒的電偶極矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)并與磁偶極矩產(chǎn)生非零相互作用，從而在不引入手性配體、螺旋結(jié)構(gòu)或手性晶格的前提下，展現(xiàn)出了手性光學(xué)活性（圖3）。
圖2：四元異質(zhì)納米棒的外延生長表征。（a-b）高分辨圖像顯示每種組分晶面，展示了沿立方晶體[111]軸的外延生長方向。（c）異質(zhì)納米棒的三維模型和俯視投影圖。（d）晶面原子模型。（e）納米棒組分元素分布。（f-h）納米棒端點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析。
圖3：局域磁場在膠體異質(zhì)納米棒中的光學(xué)活性體現(xiàn)。（a）電偶極矩與磁偶極矩的相互作用與材料的手性關(guān)系。（b）異質(zhì)納米棒的磁滯回線。（c-d）圓二色性測試結(jié)果。（e-f）磁圓二色性測試結(jié)果。
研究結(jié)果表明，該方法具有高度普適性，可廣泛用于多種半導(dǎo)體材料與磁性組分間的耦合，為今后設(shè)計(jì)開發(fā)手性光學(xué)活性納米材料開辟了新途徑。同時(shí)，這種新型磁光半導(dǎo)體納米材料的成功開發(fā)使得在室溫下的各向異性鐵磁性以及自旋操控成為可能，從而有望為自旋電子學(xué)和量子計(jì)算技術(shù)提供新的材料平臺(tái)。
該項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，科研部）
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