中国科大研制成功磁通闭合Ni-Co合金纳米环与项链状同轴微纳电缆
合肥微尺度物质科学国家实验室纳米材料与化学研究部俞书宏教授领导的课题组成功制备了手镯状Ni-Co合金磁通闭合纳米环，提出了一条可靠的高产合成磁通闭合纳米环的新途径，论文将发表在9月3日出版的《美国化学会誌》（J. Am. Chem. Soc. 2008, 130(35), 11606）上。此前，该课题组在制备项链状同轴微纳米电缆的系统研究中也取得了新突破，成功制得结构优美的项链状铜/交联聚乙烯醇核壳微纳电缆，论文发表在4月3日出版的《美国化学会誌》（J. Am. Chem. Soc. 2008, 130(17), 5650）上。该工作受到国家自然科学基金委重点基金、中国科学院-德国马普学会伙伴小组计划等项目的资助。
近年来，国际上已提出将这种纳米环作为磁阻随机存取存储器的元件应用在电子信息领域的设想。以往一些铁磁性材料的纳米环形组装结构已有报道，但是这些组装结构往往要通过复杂的合成方法才能得到，而且产率得不到保证，由于这些环是由纳米颗粒通过弱的非共价键作用组装起来的，环的稳定性较差，往往要依赖于衬底及溶剂蒸发诱导等效应才能进行组装，使得在一些后续处理和应用方面存在着困难。俞书宏课题组通过简单的液相合成方法一步合成的纳米环克服了这些缺陷，并且第一次证明了这种由Ni-Co合金纳米粒子组装而成的纳米环能够直接在溶液中形成（图1），不需要依赖于后续的衬底和溶剂挥发等诱导效应来实现组装。本方法所合成的纳米环具有很好的稳定性，不受溶剂、粒子浓度、外磁场等外界条件的影响，甚至在沸腾的溶液和机械扰动中都能稳定存在。该课题组还在大量实验的基础上提出了从磁性颗粒到磁性链然后成环的机理(图2)。研究结果表明，合适的合金组成、静磁的磁偶极相互作用和表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮的稳定等协调作用在纳米环的组装形成过程中起到重要的作用，这项研究为进一步高产量合成高质量磁性纳米环状结构材料提供了新的途径和依据。
图1. 化学法合成的Ni-Co合金磁通闭合纳米环
图2. 磁通闭合纳米环的形成机理
这种磁通闭合纳米环是由Ni-Co合金纳米颗粒组装而成的，具有顺时针和逆时针两种稳定的磁通闭合态，通过改变纳米环的空间位置或者利用电流产生的循环极化磁场可以对其进行调控。这些特征使得这些纳米环具备了作为高密度信息存储器件元件的条件。此外，这些纳米环也可能在磁输运方面表现出特异的性能。该课题组的实验结果表明，这种合金纳米环对外磁场具有快速响应能力并具有良好的生物相容性，并可能用做磁共振造影剂，因而在纳米生物医学等领域有潜在的应用前景。该课题组还对这种磁性纳米环的表面进行了进一步的修饰，例如在环的表面包覆了荧光材料，不仅进一步固定了这种环形组装结构，而且赋予了这种磁性纳米环新的光学功能，为实现纳米环的多功能化打下了良好基础。
此外，该课题组在早期制备出柔软的银/交联聚乙烯醇核壳纳米电缆的基础上（J. Am. Chem. Soc. 2005，127，2822），还进一步将该技术发展成为一种普适的大量合成多种金属/聚合物纳米电缆的方法。最近，成功制得结构优美的项链状铜/交联聚乙烯醇核壳微纳电缆（图3）。研究人员系统地考察了在反应体系中将单一铜源前驱物改为复合前驱物的影响，通过此种简单的调节作用，可以在降低的pH值环境中实现铜纳米线的原位生长。同时，电缆的交联聚乙烯醇壳层明显增厚，并有球状交联聚乙烯醇颗粒结构依附生长，通过仔细调节反应pH值、复合前驱物配比及反应温度和时间等，成功制得结构优美的项链型结构的铜/交联聚乙烯醇核壳微纳电缆，它的形成是附着生长趋势加深和演化的自然结果（图4）。本研究证实了协同生长机制之外，在低pH值条件下的独立聚乙烯醇交联途径存在的可能，并对反应产物的最终形貌演化可以产生重要的影响。有关该微纳电缆的进一步功能化、输运特性和微电子连接导线等研究正在深入进行中。
图3. 化学法一步合成项链状铜/交联聚乙烯醇核壳微纳电缆
图4. 项链状铜/交联交联聚乙烯醇核壳微纳电缆形成机理
上述研究结果表明，利用化学溶液体系中的协同生长机制，一步法即可构筑多种结构独特的微纳功能材料。这些结构特殊而优美的微纳结构材料有望在不同的领域获得重要应用。
（合肥微尺度物质科学国家实验室 化学与材料科学学院）