非常規限域生長：基于磁/等離子基元雜化納米棒的機械響應變色材料

具有可逆和可預測顏色變化的機械變色材料在機械傳感器，防偽設備，仿生機器人和智能窗戶中具有廣泛的應用。當前大多數系統依賴于光子晶體，熒光材料和等離子基元共振納米材料。這些已經報道的機械變色材料只具有對拉伸和壓縮等的簡單變形的比色響應，并且還缺乏大規模制備的靈活性。因此，盡管生活中充滿著各種復雜的線性和非線性的機械形變（如拉伸，壓縮，旋轉，彎曲和扭曲），制備可以檢測這些形變的傳感器仍然是一個挑戰。

加州大學化學系李志偉博士等發展了一種非常規限域生長方法，并成功制備了磁/等離子基元雜化納米棒。這種雜化納米棒具有耦合的磁性和等離子基元各向異性。通過施加磁場，他們的取向和局部表面等離子基元共振（LSPR）可以得到精確，可逆，瞬時的調控。利用這種磁響應的智能納米棒，他們報道了一種制備機械變色傳感器的通用策略。該策略首先將智能納米棒與光敏聚合物的前驅體混合。然后，在光照引發聚合反應時施加一個均勻磁場。聚合完成時，雜化納米棒就會被固定在聚合物基底中并且具有統一的，可控的取向。當受到外界作用力時，聚合物的彈性形變使得雜化納米棒重新取向。通過觀察顏色變化或者測量LSPR吸收峰強度的變化，可以準確計算聚合物彈性體的應變和外界應力的大小。針對不同的機械形變，通過設計雜化納米棒的初始取向，可以制備相應的高靈敏度，可逆，和可觀測的機械變色傳感器。

圖1.??(a)納米棒的透射電鏡照片。(b)Au納米棒的取向依賴性等離子體激發。

通過在磁性納米棒和酚醛殼層之間的限域空隙中生長金，可以制備耦合磁和等離子基元各向異性的雜化納米棒。該方法制備的多功能納米棒有很好的分散性和結構穩定性。并且，磁性納米棒和金納米棒具有完美的共同取向和結構比例。金納米棒的長徑比精確可調。其縱向等離子體吸收峰可以方便的從可見光調控到近紅外區域。當施加均勻磁場時，納米棒的長軸將沿著磁場方向取向。所以，金納米棒的LSPR吸收峰強度可以快速，可逆地利用外加磁場調控。這種非常規的空間限域合成策略是通用的。通過改變初始模板的形狀，大小，組分和生長金屬的組分，這種方法可以用于制備各種各樣的智能納米材料。

這種策略有利于針對不同的機械形變和運動來設計納米棒的初始取向以達到最優的傳感靈敏度和復雜的機械變色響應。該研究發現，針對壓縮和拉伸，雜化納米棒的初始取向需要滿足沿著表面法向45度左右才能達到最優靈敏度。同時，這種取向也使得機械變色薄膜對彎曲和旋轉具有可視的，精確的顏色變化。為了實現對扭曲的響應，雜化納米棒的初始取向需要沿著薄膜邊緣45度的面內排列。當復合薄膜受到扭曲應力時，在一定的線性偏振光下會展現出明顯的顏色變化。通過控制雜化納米棒在復合薄膜不同區域中的取向，該報道發展了各種各樣，具有復雜顏色變化，完全可逆的機械變色復合薄膜。

圖2.?精確可控的機械變色響應：(a)彎曲；(b)旋轉；(c-d)?扭曲。

以上成果發表在Nature?communications上(Nat Commun 11, 2883 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16678-8)。通訊作者為殷亞東教授。

近期，該研究團隊在磁性組裝和智能光學納米材料的成果還包括：

Smart materials by nanoscale magnetic assembly?

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201903467)

Stimuli‐responsive optical nanomaterials

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201807061)

Magnetic assembly of nanocubes for orientation-dependent photonic responses

(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b02984)

Colloidal Assembly and Active Tuning of Coupled Plasmonic Nanospheres

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589597420300988)

本文由作者團隊供稿。

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