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  具有可逆和可預(yù)測顏色變化的機械變色材料在機械傳感器，防偽設(shè)備，仿生機器人和智能窗戶中具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前大多數(shù)系統(tǒng)依賴于光子晶體，熒光材料和等離子體共振納米材料。這些已經(jīng)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(yīng)，并且還缺乏大規(guī)模制備的靈活性。因此，盡管生活中充滿著各種復(fù)雜的線性和非線性的機械形變（如拉伸，壓縮，旋轉(zhuǎn)，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(zhàn)。

  為了解決目前機械變色傳感器的挑戰(zhàn)，殷亞東教授課題組以李志偉博士為主要成員發(fā)展了一種非常規(guī)限域生長方法，并成功制備了磁/等離子體雜化納米棒。這種雜化納米棒具有耦合的磁性和等離子體各向異性。通過簡單的施加磁場，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(diào)控。利用這種磁響應(yīng)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(qū)體混合。然后，在光照引發(fā)聚合反應(yīng)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(tǒng)一的，可控的取向。當(dāng)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(yīng)變和外界應(yīng)力的大小。針對不同的機械形變，通過設(shè)計雜化納米棒的初始取向，可以制備相應(yīng)的高靈敏度，可逆，和可觀測的機械變色傳感器。

圖1. 基于磁響應(yīng)智能納米棒的機械變色傳感器。

  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體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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu)比例。金納米棒的長徑比精確可調(diào)。其縱向等離子體吸收峰可以方便的從可見光調(diào)控到近紅外區(qū)域。當(dāng)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(diào)控。這種非常規(guī)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。

圖2. 磁性-等離子體雜化納米棒的制備和表征。(a)合成方法。(b-e)納米棒的透射電鏡照片。(f) 磁性-等離子體雜化納米棒的結(jié)構(gòu)。(g-h)元素成像。

  由于雜化納米棒中互相耦合的磁和表面等離子體各向異性，在光聚合的時候施加一個均勻磁場可以有效的把它們按照一定的取向固定到聚合物基底中。這種策略有利于針對不同的機械形變和運動來設(shè)計納米棒的初始取向以達到最優(yōu)的傳感靈敏度和復(fù)雜的機械變色響應(yīng)。該研究發(fā)現(xiàn)，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(yōu)靈敏度。同時，這種取向也使得機械變色薄膜對彎曲和旋轉(zhuǎn)具有可視的，精確的顏色變化。為了實現(xiàn)對扭曲的響應(yīng)，雜化納米棒的初始取向需要沿著薄膜邊緣45度的面內(nèi)排列。當(dāng)復(fù)合薄膜受到扭曲應(yīng)力時，在一定的線性偏振光下會展現(xiàn)出明顯的顏色變化。通過控制雜化納米棒在復(fù)合薄膜不同區(qū)域中的取向，該報道發(fā)展了各種各樣，具有復(fù)雜顏色變化，完全可逆的機械變色復(fù)合薄膜。

圖3. 精確可控的機械變色響應(yīng)：(a)彎曲；(b)旋轉(zhuǎn)；(c-d) 扭曲。

  以上成果發(fā)表在Nature communications上(Nat Commun 11, 2883 (2020))。該工作打開了磁性調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)用于智能材料的大門。其他相關(guān)工作已經(jīng)完成或者正在進行中。論文的第一作者為加州大學(xué)河濱分校李志偉博士。李志偉博士的主要研究方向是納米材料的限域生長，納米結(jié)構(gòu)的磁性組裝和智能光學(xué)納米材料。通訊作者為殷亞東教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16678-8

  近期，該研究團隊在磁性組裝和智能光學(xué)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)