Nano Today: 金-铁氧化物杂化纳米粒子的合成与组装过程

将磁性颗粒组装成有序的超晶格是一种具有吸引力且成本效益高的方法，可以制造磁响应材料。将贵金属引入磁性铁基纳米粒子中，可以进一步调节材料性能。这种异质组装体表现出独特且可调的光学和磁性特性。然而，铁基杂化纳米材料的生长和组装涉及湿化学反应过程中各种复杂力之间的复杂权衡。因此，这使得研究由内在磁相互作用调控的动态组装机制非常具有挑战。

近日，德国电子同步辐射中心和汉堡大学的研究者在Nano Today期刊发表题为“Unraveling the synthesis and assembly of gold-iron oxide hybrid nanoparticles”的文章。该研究团队通过原位(时间分辨)小角/广角X射线散射技术研究揭示了金-铁氧化物杂化纳米粒子的生长与组装机制，展示了纳米材料在极端环境中的应用潜力。

结果及讨论

1.StCl对FeOx和Au纳米粒子生长的影响

图1展示了在不同温度下FeOx纳米粒子的生长过程。在没有StCl的情况下，FeOx纳米粒子呈现不规则的形态和分散状态。而在引入StCl后，FeOx纳米粒子的生长尺寸显著增大，并形成了有序的超结构。特别是在高温下，StCl能够促进FeOx纳米粒子的有序排列，从而形成更稳定的结构。

图1. FeOx纳米粒子的生长和自组装

2.Au-FeOx异质纳米粒子的组装过程

图2展示了Au纳米粒子作为种子与FeOx之间的异质组装过程。在引入StCl后，Au种子和FeOx纳米粒子能够更均匀地结合，形成单分散且均匀分布的异质纳米粒子。此异质组装过程通过TEM和X射线散射技术表征。

图2. 金-铁氧化物异质纳米粒子及其组装过程

3.原位X射线散射分析

图3和图4展示了Au-FeOx异质纳米粒子在反应溶液中的动态组装过程。原位小角X射线散射结果显示了FeOx和Au-FeOx异质纳米粒子在达到临界尺寸后，在没有外部磁场的情况下自发形成六方紧密堆积超结构。

图3. 异质纳米粒子直径演变的小角X射线散射图谱分析

图4. 金种子纳米粒子和铁氧化物组分的异质组装以及金-铁氧化物异质纳米粒子的自组装

4.Au-FeOx异质纳米粒子的磁性磁性评估

图5展示了不同尺寸FeOx纳米粒子和Au-FeOx异质纳米粒子的磁性能。图5a显示了零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）磁化曲线，揭示了FeOx纳米粒子在低温下的磁性行为。图5b,c则展示了不同尺寸Au-FeOx纳米粒子的磁化曲线，表明随着粒子尺寸的增加，磁相互作用显著增强，从而影响纳米粒子的整体磁性能。

图5. Au-FeOx异质纳米粒子的磁性测试

结论

本研究通过引入StCl优化了FeOx纳米粒子和Au-FeOx异质纳米粒子的合成方法，并降低了异质组装温度，使其在不受溶剂沸点限制的情况下实现了自组装。研究表明，在270°C的情况下，异质纳米粒子的形态从核壳结构演变为花状结构，再到二聚体结构。通过原位X射线散射实验，验证了在达到临界尺寸后，FeOx和Au-FeOx异质纳米粒子在没有外部磁场的情况下自发形成了六方紧密堆积超结构。本研究为开发磁-等离子体耦合的新型磁响应材料提供指导。

作者简介

张俊，一作及通讯，现为美国马里兰大学博后；

孙笑，通讯作者，德国电子同步辐射中心 (DESY)；

其余作者来自DESY及德国汉堡大学：Stefan Werner、Andrea Köppen、Xin Liu、Chen Shen、Florian Bertram、Wolfgang J. Parak

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102384