磁響應(yīng)智能材料可在磁場(chǎng)刺激下實(shí)現(xiàn)可控的運(yùn)動(dòng)或形變，廣泛應(yīng)用于柔性電子學(xué)、軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等前沿領(lǐng)域。然而，自然界中廣泛存在的順磁性材料由于其內(nèi)部無序的磁矩，普遍認(rèn)為只有在超強(qiáng)磁場(chǎng)（~T）下才能實(shí)現(xiàn)類似鐵磁性指南針的磁致旋轉(zhuǎn)和取向。這無疑大大限制了對(duì)磁響應(yīng)智能材料體系的拓展與利用。
近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所張闖研究員與白書明研究員開展合作研究，首次在順磁性晶態(tài)材料上觀察到弱磁場(chǎng)（~ mT）控制的旋轉(zhuǎn)與取向行為。該工作以鑭系金屬有機(jī)框架（Ln-MOF）體系為研究對(duì)象，將鑭系金屬離子本征的磁各向異性與高度有序的金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，成功將鑭系離子的微觀磁各向異性傳遞到宏觀的晶體材料，并闡明了如何利用結(jié)構(gòu)有序性調(diào)控材料的宏觀磁各向異性。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鑭系金屬離子的配位單元具有較大的微觀磁各向異性，這使得弱磁場(chǎng)控制變得可能。不同鑭系金屬離子的同系列Ln-MOF晶體均屬于四方晶系，但在相同外磁場(chǎng)下卻展現(xiàn)出平行和垂直于磁場(chǎng)兩種不同的取向。在四方晶系下，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性保證了晶體宏觀磁各向異性只可能沿著其長(zhǎng)軸或短軸兩個(gè)方向，而配位單元在微觀磁各向異性的差異決定了Ln-MOF在磁場(chǎng)下垂直或平行的取向排列。 更有趣的是，Ln-MOF的磁取向行為呈現(xiàn)出化學(xué)可調(diào)性。比如，通過對(duì)晶體進(jìn)行脫/吸溶劑處理，可在同一種Ln-MOF上實(shí)現(xiàn)平行與豎直兩種磁取向間的可逆切換。此外，調(diào)配金屬離子與有機(jī)配體的合成比例可以改變Ln-MOF的晶體結(jié)構(gòu)，降低的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性賦予宏觀磁各向異性更多自由度并實(shí)現(xiàn)了各種角度的磁取向。 該工作成功在晶態(tài)材料的微觀磁性質(zhì)與宏觀磁性質(zhì)之間建立了聯(lián)系，并借助這種聯(lián)系發(fā)掘了順磁性材料在可化學(xué)手段調(diào)控的弱場(chǎng)磁響應(yīng)方面的潛力，為構(gòu)建新型的磁響應(yīng)智能材料提供了一種可靠策略。 論文信息 A Paramagnetic Compass Based on Lanthanide Metal-Organic Framework Hao Jia, Dr. Baipeng Yin, Jiaying Chen, Prof. Ye Zou, Hong Wang, Yu Zhang, Prof. Tongmei Ma, Prof. Qiang Shi, Prof. Jiannian Yao, Prof. Shuming Bai, Prof. Chuang Zhang 文章的第一作者是中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的博士研究生賈浩、博士后尹百鵬和華南理工大學(xué)的碩士研究生陳嘉穎。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202309073
