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(xué)合成就是這樣。中科院強磁場科學(xué)中心（合肥）的SM2號強磁體中觀測到化學(xué)合成會受到反應(yīng)容器胖瘦程度的影響。

日前，中科院強磁場科學(xué)中心陸輕鈾課題組與南京大學(xué)陸輕銥課題組合作，設(shè)計了一種可直接插入到強超導(dǎo)磁體窄小低溫孔徑液氦中使用的超隔熱高溫反應(yīng)系統(tǒng)（圖1），并將之應(yīng)用于磁控化學(xué)反應(yīng)研究。

圖1 自主研制的可直接植入超導(dǎo)磁體低溫孔徑液氦中進行熱分解反應(yīng)的高溫控溫系統(tǒng)。

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

是誰導(dǎo)致了不同的氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生？合作團隊做了更嚴格的對比實驗：在超導(dǎo)磁體的反應(yīng)器里進行重復(fù)實驗，但不加磁場，此時所得產(chǎn)物與強磁場下所得產(chǎn)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(qū)別造成的？因為超導(dǎo)磁體的內(nèi)徑很窄，無法放常規(guī)條件下的瓷舟，所以特意定做了細口徑瓷管用于放置樣品。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(xué)量一樣的重要，決定著化學(xué)反應(yīng)的命運嗎？甚至，還能蓋過強磁場對磁性材料生長的影響？

于是，合作團隊進一步設(shè)計實驗，研究反應(yīng)器“長徑比”對化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)材料。甚至可以根據(jù)反應(yīng)容器的不同“幾何形狀參量”畫出反應(yīng)產(chǎn)物的“相圖”（圖3）。

圖2 不同長徑比反應(yīng)容器中的反應(yīng)過程示意圖。

圖3 反應(yīng)容器長徑比對反應(yīng)產(chǎn)物的影響。

其實，合作團隊首先設(shè)計的化學(xué)反應(yīng)，是在強磁場下通過片狀雙金屬前驅(qū)物的熱分解反應(yīng)合成磁性納米結(jié)構(gòu)材料。因為納米結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)成單元尺度很小，比表面積（單位體積對應(yīng)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(dǎo)向、排列作用的。

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

圖4 小管反應(yīng)體系中，600°C下獲得的產(chǎn)物XRD譜圖，SEM照片和TEM照片。

圖5 小管反應(yīng)體系中，900°C下獲得的產(chǎn)物XRD譜圖，SEM照片和TEM照片。

然而，管狀結(jié)構(gòu)的生長是相當(dāng)困難的。難道強磁場有助于管狀結(jié)構(gòu)的生長？為此，合作團隊做了更嚴格的對比實驗：在超導(dǎo)磁體的反應(yīng)器里進行重復(fù)實驗，但不加磁場。

然而結(jié)果讓人驚訝，此時所得產(chǎn)物與強磁場下所得產(chǎn)物完全相同。通過合作團隊的進一步實驗，才發(fā)現(xiàn)了化學(xué)合成會受到反應(yīng)容器胖瘦程度的影響。

這一研究證明了反應(yīng)容器的幾何形狀也是一種可獨立調(diào)節(jié)的熱力學(xué)參量，可用于控制化學(xué)反應(yīng)的進程和納米結(jié)構(gòu)生長結(jié)果，并且非常廉價。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(fā)表在Composites Part B 161 (2019) 328-335。文章鏈接：https:///10.1016/j.compositesb.2018.10.047。

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(xué)元素鈾同位素中輕的那種（U²³⁵）；妹妹輕銥，名字中輕銥為化學(xué)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(xué)的，物理與化學(xué)的合作在他們身上很好地體現(xiàn)出來。