Advanced Materials：吉大楊文勝等制備出具有磁場感知能力的仿生一維超順磁磁鐵礦陣列

【引語】

今天給大家分享一篇關于仿生磁場感知的ADVANCED MATERIALS通訊，題為“Bioinspired 1D Superparamagnetic Magnetite Arrays with Magnetic Field Perception”。論文作者為吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的楊文勝教授、武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室的麥立強教授和中科院理化技術研究所的江雷院士等。

楊文勝教授是吉林大學化學學院的院長，小編就在這里讀書。江雷院士堪稱中國仿生第一人，荷葉效應使其名聲大噪，其作品上過NATURE封面，前不久豬籠草的研究被NATURE發表，現在擔任中科院理化技術研究所仿生智能界面科學中心主任。麥立強教授發過NATURE，實力可見一斑。

照片左上為楊文勝教授、右上為麥立強教授，下為江雷院士。

【成果簡介】

生物體的磁場感知來源于其體內的磁場敏感細胞，細胞中的生物礦化的超順磁性磁鐵礦組裝體可成功實現磁場方位和強度到神經反應的信號轉化。

受此啟發，為了合成人工磁場感應系統，楊等首先通過溶劑熱法合成了Fe₃O₄納米顆粒多晶。接著，通過CBMA方法得到了微柱結構，高20微米，寬2微米，間隔5微米。為了實現CBMA法，楊等設計了一種三明治結構，把Fe₃O₄納米顆粒分散系放在微柱頂端和靶襯平面之間，產生了連續的薄膜液體。楊等還進一步對其組裝機理進行了研究。

為了把納米粒子組裝成一維納米陣列，楊等設計了一種自下而上的方法，命名為“以毛細管橋為中介的組裝”，簡稱CBMA。該方法可實現連續相液態薄膜的分裂以形成單獨的微米級毛細管橋，該毛細管橋具有一維結構、長徑比較高。

為了調節一維Fe₃O₄納米顆粒組裝體的尺寸，楊等利用CBMA法，采用了不同質量分數的納米顆粒的分散體系。

楊等的研究不僅促進了人們對各向異性超順磁結構的理解和應用，并且提出了一個簡便高效的方法來制備高長徑比的一維組裝體。可以預見，該方法在電子設備、生物探測等領域將有所作為。

【圖文摘要】

圖1 生物啟發的人工磁場感應系統

a.左側為生物磁場感應系統，家鴿、大黃蜂等通過細胞內的生物礦化超順磁性磁鐵礦組裝體，來探測地球磁場。右側為基于一維超順磁性納米顆粒陣列的人工磁場感應系統。
b.一維Fe₃O₄納米顆粒組裝體的示意圖。通過改變磁場的角度θ來測量磁場感應的能力。
c.一個經典的曲線，來表示Fe₃O₄納米顆粒的磁化與θ的關系。

圖2 用時間序列熒光纖維照片來探究一維磁鐵礦陣列的組裝機理。

a-c，用CBMA方法組裝一維磁鐵礦陣列。
d-f，通過時間序列熒光纖維照片，可看到該過程為：三明治結構的“靶襯-薄膜分散系-微柱”組裝體系，致使液體薄膜分裂為單獨的毛細管橋，形成一維磁鐵礦陣列。
g，液體薄層被限制在微柱頂端和基體平面之間，其曲率半徑為R。
h，在液體薄膜分裂后，毛細管橋固定在微柱尖端。

圖3 一維Fe₃O₄納米顆粒組裝體的形貌和晶體結構表征。

a，一維Fe₃O₄納米顆粒陣列的SEM照片。
b，放大的SEM照片。
c-d，單個一維Fe₃O₄納米顆粒的AFM圖。
e，Fe₃O₄納米顆粒的PXRD圖，并與經典的磁鐵礦結構（JCPDS No.19-629）做比。
f，Fe₃O₄納米顆粒的TEM圖片。
g，放大的TEM圖片顯示Fe₃O₄納米顆粒具有多晶石榴外形。小圖是Fe₃O₄納米顆粒的SAED圖案，表明該顆粒的本質是多晶。
h，磁化對溫度的依賴性。
i，Fe₃O₄納米顆粒的磁化曲線表明了其具有超順磁性。

圖4 一維Fe₃O₄納米顆粒陣列的各向異性磁力性質

a-c，通過納米粒子質量分數分別為2,5,15 mg/ml制備的一維Fe₃O₄納米粒子陣列寬度分別約等于0.16μm，0.31μm，0.82μm。
d，一維Fe₃O₄納米粒子陣列的寬度和納米粒子質量分數的關系。
e-g，寬度分別為0.16μm，0.31μm，0.82μm的一維Fe₃O₄納米粒子陣列的磁化性質。寬度越小，長徑比越高，則磁化的各向異性越大。
h，磁場的一維Fe₃O₄納米粒子陣列。
i，一維Fe₃O₄納米粒子陣列的磁性和θ的關系。

文獻鏈接：Bioinspired 1D Superparamagnetic Magnetite Arrays with Magnetic Field Perception