將磁性顆粒組裝成有序的超晶格是一種具有吸引力且成本效益高的方法，可以制造磁響應材料。將貴金屬引入磁性鐵基納米粒子中，可以進一步調節材料性能。這種異質組裝體表現出獨特且可調的光學和磁性特性。然而，鐵基雜化納米材料的生長和組裝涉及濕化學反應過程中各種復雜力之間的復雜權衡。因此，這使得研究由內在磁相互作用調控的動態組裝機制非常具有挑戰。
近日，德國電子同步輻射中心和漢堡大學的研究者在Nano Today期刊發表題為“Unraveling the synthesis and assembly of gold-iron oxide hybrid nanoparticles”的文章。該研究團隊通過原位(時間分辨)小角/廣角X射線散射技術研究揭示了金-鐵氧化物雜化納米粒子的生長與組裝機制，展示了納米材料在極端環境中的應用潛力。
結果及討論
1. StCl對FeOx和Au納米粒子生長的影響
圖1展示了在不同溫度下FeOx納米粒子的生長過程。在沒有StCl的情況下，FeOx納米粒子呈現不規則的形態和分散狀態。而在引入StCl后，FeOx納米粒子的生長尺寸顯著增大，并形成了有序的超結構。特別是在高溫下，StCl能夠促進FeOx納米粒子的有序排列，從而形成更穩定的結構。
圖1. FeOx納米粒子的生長和自組裝
2. Au-FeOx異質納米粒子的組裝過程
圖2展示了Au納米粒子作為種子與FeOx之間的異質組裝過程。在引入StCl后，Au種子和FeOx納米粒子能夠更均勻地結合，形成單分散且均勻分布的異質納米粒子。此異質組裝過程通過TEM和X射線散射技術表征。
圖2. 金-鐵氧化物異質納米粒子及其組裝過程
3. 原位X射線散射分析
圖3和圖4展示了Au-FeOx異質納米粒子在反應溶液中的動態組裝過程。原位小角X射線散射結果顯示了FeOx和Au-FeOx異質納米粒子在達到臨界尺寸后，在沒有外部磁場的情況下自發形成六方緊密堆積超結構。
圖3. 異質納米粒子直徑演變的小角X射線散射圖譜分析
圖4. 金種子納米粒子和鐵氧化物組分的異質組裝以及金-鐵氧化物異質納米粒子的自組裝
4. Au-FeOx異質納米粒子的磁性磁性評估
圖5展示了不同尺寸FeOx納米粒子和Au-FeOx異質納米粒子的磁性能。圖5a顯示了零場冷卻（ZFC）和場冷卻（FC）磁化曲線，揭示了FeOx納米粒子在低溫下的磁性行為。圖5b,c則展示了不同尺寸Au-FeOx納米粒子的磁化曲線，表明隨著粒子尺寸的增加，磁相互作用顯著增強，從而影響納米粒子的整體磁性能。
圖5. Au-FeOx異質納米粒子的磁性測試
結論
本研究通過引入StCl優化了FeOx納米粒子和Au-FeOx異質納米粒子的合成方法，并降低了異質組裝溫度，使其在不受溶劑沸點限制的情況下實現了自組裝。研究表明，在270°C的情況下，異質納米粒子的形態從核殼結構演變為花狀結構，再到二聚體結構。通過原位X射線散射實驗，驗證了在達到臨界尺寸后，FeOx和Au-FeOx異質納米粒子在沒有外部磁場的情況下自發形成了六方緊密堆積超結構。本研究為開發磁-等離子體耦合的新型磁響應材料提供指導。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102384
