锰锌铁氧体纳米结构是一种尖晶石结构的高性能软磁复合铁氧体。这种掺杂型磁性纳米颗粒具有高磁性、低矫顽力、生物活性以及化学稳定性等特性，因而在生物医学领域有着广泛的应用，如生物分离、药物运输、磁共振成像和肿瘤热疗等。锰锌铁氧体纳米结构的高性能指标，不但体现在其要有均一的尺寸、规则的形貌和良好的结晶度，而且体现在其要有较高的磁响应性、显著的磁热效应和良好的生物相容性。
本文采用改进后的高温热分解法，在具有高沸点的二辛醚溶剂中，以金属乙酰丙酮物为前驱物，油酸、油胺为表面活性剂，通过调控油酸、油胺的不同摩尔比，制备出单分散磁性锰锌铁氧体纳米球(ca. 9 nm)、纳米方(ca. 11 nm)及纳米星(ca. 16 nm)等一维纳米晶。研究发现，油酸的对某些晶面(如：(100),(110),(111)晶面)的选择性吸附是诱导不同形貌纳米晶生成的主要因素。此外，本文通过控制反应的成核、生长时间，制备出类似于“魔方”结构的“尖角”和“钝角”磁性纳米团簇(ca. 45~50 nm)。研究发现，降低成核时间直接导致晶体的不充分成核，体系中晶核数量较少，提供其生长的“单体”浓度较高，使得晶体在生长过程中快速地由最初的球形纳米晶(ca. 8~10 nm)，到方形纳米晶(ca. 11~15 nm)、到小尺寸的星形纳米晶(ca. 15~17 nm)、最终到大尺寸的星形纳米晶(ca. 19~23 nm)的生长演变。此时，大尺寸的星形纳米晶由于其高的磁偶极相互作用，定向诱导其聚集，形成了具有“突角”结构的纳米团簇雏形(ca. 30~40 nm)，以降低其表面静磁能。然而，其表面的缺陷结构和体系中存在充足的“单体”会诱导纳米团簇的二次生长，最终生成类似于“魔方”结构的“尖角”纳米团簇(ca. 50 nm)。在接下来的熟化过程中，研究发现纳米团簇表面的“尖角”会逐渐钝化，这是其表面“簇角”(小的纳米晶颗粒)进一步融合的过程。最终导致结构更加稳定和密集的“钝角”纳米团簇(ca. 45 nm)的形成。
本文的创新点在于制备了高性能锰锌铁氧体纳米晶和纳米簇，并系统研究了由一维纳米晶向三维纳米簇演变的成核生长机制。旨在从合成工艺上进行改进和优化，以晶体的成核和生长的分子机制理论为基础，为颗粒的形貌、尺寸可控和规模制备提供了前提条件。本文提供的几种磁性纳米结构均具有尺寸单一、形貌规则、稳定性好和结晶度高等优点。特别对于两种磁性纳米团簇来说，其具有较高的饱和磁化强度和显著的磁热效应，因此可作为一类有前途的磁热疗生物材料和磁共振造影剂。
Jun Xie, Changzhi Yan, Yu Zhang, Ning Gu. Shape Evolution of “Multi-Branched” Mn-Zn Ferrite Nanostructures with High-Performance: A Transformation of Crystals into Clusters. Chem. Mater., 2013, Just Accepted Manuscript, DOI: 10.1021/cm402036d
研究进展