Advanced Materials：吉大杨文胜等制备出具有磁场感知能力的仿生一维超顺磁磁铁矿阵列

【引语】

今天给大家分享一篇关于仿生磁场感知的ADVANCED MATERIALS通讯，题为“Bioinspired 1D Superparamagnetic Magnetite Arrays with Magnetic Field Perception”。论文作者为吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的杨文胜教授、武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的麦立强教授和中科院理化技术研究所的江雷院士等。

杨文胜教授是吉林大学化学学院的院长，小编就在这里读书。江雷院士堪称中国仿生第一人，荷叶效应使其名声大噪，其作品上过NATURE封面，前不久猪笼草的研究被NATURE发表，现在担任中科院理化技术研究所仿生智能界面科学中心主任。麦立强教授发过NATURE，实力可见一斑。

照片左上为杨文胜教授、右上为麦立强教授，下为江雷院士。

【成果简介】

生物体的磁场感知来源于其体内的磁场敏感细胞，细胞中的生物矿化的超顺磁性磁铁矿组装体可成功实现磁场方位和强度到神经反应的信号转化。

受此启发，为了合成人工磁场感应系统，杨等首先通过溶剂热法合成了Fe₃O₄纳米颗粒多晶。接着，通过CBMA方法得到了微柱结构，高20微米，宽2微米，间隔5微米。为了实现CBMA法，杨等设计了一种三明治结构，把Fe₃O₄纳米颗粒分散系放在微柱顶端和靶衬平面之间，产生了连续的薄膜液体。杨等还进一步对其组装机理进行了研究。

为了把纳米粒子组装成一维纳米阵列，杨等设计了一种自下而上的方法，命名为“以毛细管桥为中介的组装”，简称CBMA。该方法可实现连续相液态薄膜的分裂以形成单独的微米级毛细管桥，该毛细管桥具有一维结构、长径比较高。

为了调节一维Fe₃O₄纳米颗粒组装体的尺寸，杨等利用CBMA法，采用了不同质量分数的纳米颗粒的分散体系。

杨等的研究不仅促进了人们对各向异性超顺磁结构的理解和应用，并且提出了一个简便高效的方法来制备高长径比的一维组装体。可以预见，该方法在电子设备、生物探测等领域将有所作为。

【图文摘要】

图1 生物启发的人工磁场感应系统

a.左侧为生物磁场感应系统，家鸽、大黄蜂等通过细胞内的生物矿化超顺磁性磁铁矿组装体，来探测地球磁场。右侧为基于一维超顺磁性纳米颗粒阵列的人工磁场感应系统。
b.一维Fe₃O₄纳米颗粒组装体的示意图。通过改变磁场的角度θ来测量磁场感应的能力。
c.一个经典的曲线，来表示Fe₃O₄纳米颗粒的磁化与θ的关系。

图2 用时间序列荧光纤维照片来探究一维磁铁矿阵列的组装机理。

a-c，用CBMA方法组装一维磁铁矿阵列。
d-f，通过时间序列荧光纤维照片，可看到该过程为：三明治结构的“靶衬-薄膜分散系-微柱”组装体系，致使液体薄膜分裂为单独的毛细管桥，形成一维磁铁矿阵列。
g，液体薄层被限制在微柱顶端和基体平面之间，其曲率半径为R。
h，在液体薄膜分裂后，毛细管桥固定在微柱尖端。

图3 一维Fe₃O₄纳米颗粒组装体的形貌和晶体结构表征。

a，一维Fe₃O₄纳米颗粒阵列的SEM照片。
b，放大的SEM照片。
c-d，单个一维Fe₃O₄纳米颗粒的AFM图。
e，Fe₃O₄纳米颗粒的PXRD图，并与经典的磁铁矿结构（JCPDS No.19-629）做比。
f，Fe₃O₄纳米颗粒的TEM图片。
g，放大的TEM图片显示Fe₃O₄纳米颗粒具有多晶石榴外形。小图是Fe₃O₄纳米颗粒的SAED图案，表明该颗粒的本质是多晶。
h，磁化对温度的依赖性。
i，Fe₃O₄纳米颗粒的磁化曲线表明了其具有超顺磁性。

图4 一维Fe₃O₄纳米颗粒阵列的各向异性磁力性质

a-c，通过纳米粒子质量分数分别为2,5,15 mg/ml制备的一维Fe₃O₄纳米粒子阵列宽度分别约等于0.16μm，0.31μm，0.82μm。
d，一维Fe₃O₄纳米粒子阵列的宽度和纳米粒子质量分数的关系。
e-g，宽度分别为0.16μm，0.31μm，0.82μm的一维Fe₃O₄纳米粒子阵列的磁化性质。宽度越小，长径比越高，则磁化的各向异性越大。
h，磁场的一维Fe₃O₄纳米粒子阵列。
i，一维Fe₃O₄纳米粒子阵列的磁性和θ的关系。

文献链接：Bioinspired 1D Superparamagnetic Magnetite Arrays with Magnetic Field Perception