作 者 介 绍

通讯作者介绍

张金英 研究员

北京理工大学

北京理工大学特别研究员，博士生导师。长期在基于MEMS的光声融合感知与对抗领域从事教学和科研工作，成立了智能微纳系统实验室 (LIMANS, Lab of Intelligent Micro And Nano Systems)，开展智能微纳系统相关的材料、器件、算法、控制方面的研究。主持国家自然科学基金青年和面上、科技部国家重点研发计划课题、科技创新2030“新一代人工智能”重大专项子课题、XX6工程项目、教育部留学回国人员科研启动基金、中国博士后科学基金面上一等资助等国家和省部级科研项目十余项。以第一发明人获授权发明专利13项、授权软件著作权1项。在 多本期刊和国际会议上发表第一/通讯作者论文50余篇，发表教改论文2篇。发表在Applied Physics Letters 的文章被选为Featured Article，关于声表面波微纳高频谐振器的研究成果被美国物理联合会新闻报道。

第一作者简介

王鑫野 博士研究生

北京理工大学

北京理工大学光电学院仪器科学与技术专业博士研究生。主要从事核壳结构纳米粒子制备、光子晶体模型构建、响应性光子晶体制备等研究工作。参与军委科技委国防科技创新项目2项。发表SCI论文1篇、EI论文1篇。

文章导读

突破光子晶体瓶颈：新型核壳纳米粒子带来绚丽结构色

你是否曾被蝴蝶翅膀上绚丽多彩的斑斓所深深吸引？如同宝石般闪耀的光泽，变幻莫测的色彩，令人不禁感叹大自然的鬼斧神工。然而，你或许不知道，这美轮美奂的色彩并非来自化学色素的渲染，而是源于一种被称为“结构色”的光学现象，是光与微观结构之间精妙互动的结果。科学家们利用这种被称为“结构色”的原理，致力于开发新型光学材料——光子晶体。然而，构建光子晶体的关键材料——大尺寸、高折射率且均匀的纳米粒子制备，一直是科研难题。北京理工大学张金英研究员团队在 Materials 期刊发表的文章 (A Template Method Leads to Precisely Synthesize SiO₂@Fe₃O₄ Nanoparticles at the Hundred-Nanometer Scale) 另辟蹊径，提出了一种以二氧化硅为内核，四氧化三铁为外壳的新型核壳纳米粒子制备方法。如同巧妙的俄罗斯套娃，利用二氧化硅易于制备、尺寸均匀的优势，在其表面精准包裹一层高折射率的四氧化三铁，完美解决了传统方法的难题，实现了高效、可控的结构色调制。这项研究为光子晶体的制备开辟了新的思路，有望推动其在显示、传感、光学器件等领域的广泛应用。

SiO₂@Fe₃O₄核壳结构纳米粒子制备过程

研究过程与结果

精雕细琢：新型核壳纳米粒子的制备工艺

1.二氧化硅表面改性

为“内核”披上“磁性外衣”

正如精美的艺术品需要精雕细琢，新型核壳纳米粒子的制备也需要对材料进行精细的修饰。由于二氧化硅微球表面带负电，而四氧化三铁在形成初期无法有效地被吸引，导致在其表面形成的四氧化三铁层不够均匀，影响最终产品的性能。为了解决这一问题，研究人员对二氧化硅表面进行了改性和修饰。他们巧妙地利用了化学反应，在二氧化硅表面引入带有正电荷的基团，如同为“内核”披上了一层能够吸引四氧化三铁的“磁性外衣”。常用的改性剂包括酸、碱和PEI等，它们能够有效提高二氧化硅表面的结合能，增强其对四氧化三铁的吸引效率和结合强度，从而确保核壳结构的均匀性和稳定性。

2.实验条件的影响

步步为营，精益求精

在核壳纳米粒子的制备过程中，实验条件如同烹饪美食时的火候和调味料，对最终产物的形貌和性能起着至关重要的作用。研究人员对制备过程中的各个环节进行了系统性的研究，包括反应温度、反应时间、机械搅拌转速、超声处理等因素，并分析了它们对最终产物的影响。例如，合适的反应温度可以促进四氧化三铁在二氧化硅表面的均匀沉积，而过高的温度则可能导致颗粒的团聚；适度的机械搅拌可以保证反应物充分混合，但过快的搅拌速度又可能破坏核壳结构的完整性。

3.反应物的影响

探寻最佳配方

除了外部条件，反应物本身的性质和配比也是影响核壳纳米粒子形貌的关键因素。研究人员深入探究了投料顺序、稳定剂种类、稳定剂和催化剂的添加顺序，以及铁源比例等因素对合成产物形貌的影响。他们发现，不同的投料顺序会影响二氧化硅表面改性的效果，进而影响四氧化三铁的沉积效率；合适的稳定剂可以防止纳米粒子在反应过程中发生团聚，保持其良好的分散性；铁源比例则决定了最终产物中四氧化三铁的含量，进而影响其光学性能。

离心自组装光子晶体的反射光谱曲线 (插图为光子晶体实物图)

研究总结

开启光子晶体新篇章：核壳纳米粒子绽放异彩

本文成功制备出SiO₂@Fe₃O₄核壳结构纳米粒子，并系统探究了二氧化硅表面改性条件以及四氧化三铁制备过程中的影响因素，例如温度、催化剂、稳定剂、搅拌速度和投料量等。研究结果表明，在1000 rpm的搅拌速度、60 ℃的温度和超声条件下，经过改性剂修饰的各种尺寸的二氧化硅纳米粒子，都能被制备出的四氧化三铁完美包裹，形成稳定且尺寸均一的核壳结构纳米粒子。更令人欣喜的是，特定尺寸的SiO₂@Fe₃O₄核壳结构纳米粒子可以通过自组装形成可见光范围内的彩虹色光子晶体。这种光子晶体在光开关、带通滤波等领域具有广阔的应用前景，同时在安全通信和防伪等方面也展现出潜在的价值。通过调控核壳结构纳米粒子的尺寸，可以制备出适用于不同波段的光子晶体器件，为纳米粒子的合成、制备和影响因素的探索提供了宝贵的参考。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2937300

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8 

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”

**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”