在最近发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上的一篇文章中，研究人员介绍了一种利用磁场实现纳米结构长程均匀配准的新方法，其中特别关注石墨烯。
这种方法旨在增强聚合物纳米复合材料的性能，使其更适合广泛的工业应用。研究人员强调，需要一种既有效又易于实施的方法，以促进对齐纳米结构的实际应用。
研究背景
含有石墨烯等纳米结构的纳米复合材料因其卓越的电学、热学和力学性能而备受关注。然而，这些特性在很大程度上取决于石墨烯薄片的取向。要充分发挥石墨烯在电子、能源存储和生物医学技术等应用领域的潜力，纳米结构的正确排列至关重要。
目前对齐纳米结构的方法面临着一些挑战。基于流动的加工技术通常只能产生单一方向的对准，这对于需要多方向特性的应用来说是不够的。同样，电场对准需要高电压，因此不适合大规模制造。虽然静态磁场可以有效地对准一维（1D）纳米材料，但对石墨烯等二维（2D）材料却不太有效，因为二维（2D）材料的运动自由度更大，需要更精确的控制。
当前研究
为了利用磁场实现纳米结构的远距离均匀配准，研究人员设计并实施了哈尔巴赫阵列。这种阵列以产生强大而均匀的磁场而闻名，其构造采用了以特定模式排列的永久磁铁，以增强对准区域内的磁场强度，同时将区域外的磁场强度降至最低。
采用数值建模来优化哈尔巴赫阵列的设计，重点是磁体尺寸、间距和方向等参数。使用有限元分析软件对磁场分布进行了模拟，从而确定了能产生最高磁场均匀性和强度的配置。
为制备纳米复合材料，通过化学还原工艺从氧化石墨烯（GO）合成了还原氧化石墨烯（rGO）。合成了阳离子Fe₃O₄纳米粒子，并使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对其尺寸和形态进行了表征。测量了阳离子 Fe₃O₄和带负电荷的 GO 的 zeta 电位，以确认它们在有效吸附方面的静电相容性。
将 rGO 和 Fe₃O₄ 纳米粒子以 0.003 % 的固定浓度混合在聚合物基质（环氧树脂）中，制成纳米复合配方。将这种混合物置于哈尔巴赫阵列产生的磁场中，使纳米结构对齐。对排列过程进行监控，并对时间和磁场强度进行优化，以确保均匀分布。
应用 1 特斯拉的磁场实现纳米结构对齐，并使用各种技术对所产生的结构进行表征，包括 TEM、SEM、拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 和 X 射线光电子能谱 (XPS)。
结果与讨论
使用哈尔巴赫阵列对聚合物基体中的纳米结构进行配准可显著提高纳米复合材料的性能。对齐区的磁场强度达到约 1.5 T，可有效定向还原氧化石墨烯（rGO）和铁₃O₄纳米粒子。
电导率测量结果表明，配向纳米复合材料的电导率比随机配向纳米复合材料高出四倍，在 rGO 浓度为 0.1 wt.% 时，电导率达到 1.2 S/m。热导率评估显示，对齐样品的热导率提高了 1200% 以上，达到 5.5 W/m-K，这归功于对齐 rGO 片形成的有效热通道。
针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌测试表明，在填料浓度为 10 wt.% 的情况下，对齐纳米复合材料的细菌存活率降低了 90% 以上，明显优于未对齐样品，后者的细菌存活率仅降低了 50%。
结论
这项研究展示了一种利用磁场实现纳米结构远距离均匀配准的实用方法，是纳米技术的一大进步。
作者强调了这种方法在开发高性能多功能材料方面的潜力，这将极大地影响各种技术和工业应用。未来的研究可能会探索其他纳米材料的配准，并进一步优化哈尔巴赫阵列配置，以最大限度地提高这种方法的有效性。
总之，该研究为纳米复合材料研究领域增添了宝贵的见解，并强调了其在现实世界应用中的实际潜力。
期刊参考
Ghai V., Pandit S., et al. (2024). Achieving long-range arbitrary uniform alignment of nanostructures in magnetic fields. Advanced Functional Materials. DOI: 10.1002/adfm.202406875, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406875
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