睡不著覺怪床歪？沒錯，磁性納米顆粒材料在強磁場中的化學合成就是這樣。中科院強磁場科學中心（合肥）的SM2號強磁體中觀測到化學合成會受到反應容器胖瘦程度的影響。

日前，中科院強磁場科學中心陸輕鈾課題組與南京大學陸輕銥課題組合作，設計了一種可直接插入到強超導磁體窄小低溫孔徑液氦中使用的超隔熱高溫反應系統（圖1），並將之應用於磁控化學反應研究。

圖1 自主研製的可直接植入超導磁體低溫孔徑液氦中進行熱分解反應的高溫控溫系統。

實驗結果的確顯示在強磁場下獲得的產物與其對比實驗（無磁場條件下常規瓷舟中管式爐加熱）獲得的氧化物產物完全不同。

是誰導致了不同的氧化產物的產生？合作團隊做了更嚴格的對比實驗：在超導磁體的反應器里進行重複實驗，但不加磁場，此時所得產物與強磁場下所得產物完全相同。磁場因素被排除了。

研究人員開始推想：難道是加熱容器的區別造成的？因為超導磁體的內徑很窄，無法放常規條件下的瓷舟，所以特意定做了細口徑瓷管用於放置樣品。難道，看似毫不相干的容器胖瘦還能像溫度、壓強、磁場這些「著名」熱力學量一樣的重要，決定著化學反應的命運嗎？甚至，還能蓋過強磁場對磁性材料生長的影響？

於是，合作團隊進一步設計實驗，研究反應器「長徑比」對化學反應的影響（圖2）。他們在不同長徑比的容器中分別獲得了ZnO/Fe3O4納米顆粒、Fe3O4@ZnO 納米管陣列和FeC@ZnCN2納米管陣列三種不同成分、不同形貌和不同組裝方式的納米結構材料。甚至可以根據反應容器的不同「幾何形狀參量」畫出反應產物的「相圖」（圖3）。

圖2 不同長徑比反應容器中的反應過程示意圖。

圖3 反應容器長徑比對反應產物的影響。

其實，合作團隊首先設計的化學反應，是在強磁場下通過片狀雙金屬前驅物的熱分解反應合成磁性納米結構材料。因為納米結構材料的構成單元尺度很小，比表面積（單位體積對應的表面積）大，懸鍵相對較多，加之又含有磁性原子（鐵、鈷、鎳等），可以想見是更易受到磁場的導向、排列作用的。

強磁場下，600°C生成FeC納米顆粒@ZnCN2納米管複合材料（圖4）；900°C生成奧氏體/Fe納米顆粒@碳納米管複合材料（圖5）。

圖4 小管反應體系中，600°C下獲得的產物XRD譜圖，SEM照片和TEM照片。

圖5 小管反應體系中，900°C下獲得的產物XRD譜圖，SEM照片和TEM照片。

然而，管狀結構的生長是相當困難的。難道強磁場有助於管狀結構的生長？為此，合作團隊做了更嚴格的對比實驗：在超導磁體的反應器里進行重複實驗，但不加磁場。

然而結果讓人驚訝，此時所得產物與強磁場下所得產物完全相同。通過合作團隊的進一步實驗，才發現了化學合成會受到反應容器胖瘦程度的影響。

這一研究證明了反應容器的幾何形狀也是一種可獨立調節的熱力學參量，可用於控制化學反應的進程和納米結構生長結果，並且非常廉價。這也對未來合成出新型材料帶來新的可能。

該工作以Space-confined growth of novel self-supporting carbon-based nanotube array composites 為題發表在 Composites Part B 161 (2019) 328-335。文章鏈接：doi.org/10.1016/j.compo。

對了，可能大家都注意到了，文中的合作的兩個主要研究人員，一位名叫陸輕鈾，一位名叫陸輕銥，這看起來就很有故事。陸輕鈾和陸輕銥是一對兄妹。哥哥輕鈾，名字中輕鈾為化學元素鈾同位素中輕的那種（U235）；妹妹輕銥，名字中輕銥為化學元素銥同位素中輕的那種（Ir191）。哥哥是研究物理的，而妹妹是研究化學的，物理與化學的合作在他們身上很好地體現出來。

作者：侯玉斌

來源：中國科學院合肥物質科學研究院


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