手性材料在推动生物标记、手性分析和检测、对映异构体选择性分离、偏振相关光子学和光电子学应用等领域的发展具有重要意义。目前，传统手性纳米材料主要是通过引入手性配体或构造螺旋结构等电偶极矩调控方式构筑，但这类手性材料在环境稳定性和导电性方面通常存在局限性，极大地限制了其实际应用。探索新的调控机制并构筑新型手性纳米功能材料是突破这一科学瓶颈的新途径。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队与国家纳米科学中心唐智勇研究员课题组、多伦多大学Edward Sargent教授团队开展多方合作，在新型手性无机纳米材料合成研究中取得突破性进展。研究人员首次通过在一维纳米结构单元中定点选择性复合磁性材料，利用局域磁场调制电偶极矩与磁偶极矩之间的相互作用，成功合成了一类新型手性无机纳米材料。该成果以“Regioselective magnetization in semiconducting nanorods”为题在线发表《自然纳米技术》杂志上(Nat. Nanotechnol. 2020, 10.1038/s41565-019-0606-8)。
图1：一维纳米棒的位点选择性磁化。（a-c）异质成核生长与两种材料间接触角的关系总结。（d）“双缓冲层”策略实现磁性组分在纳米棒端点的选择性生长。
俞书宏院士团队长期开展功能无机纳米材料的合成方法学研究，在胶体纳米晶成核生长方面积累了丰富经验。构建此类磁光手性纳米异质结构的前提是在特定位置引入局域磁场，因而需要实现磁性单元的位点选择性生长。研究人员基于材料间接触角与异质成核生长的相互关系（图1a-c），提出了一种“双缓冲层设计”合成策略（图1d），通过次序引入中间缓冲层改变材料间的界面能差异，从而解决了传统半导体材料与磁性材料间的晶格和化学失配问题，巧妙地实现了磁性材料在不同半导体特定位置的选择性生长。
研究人员发现，在纳米结构中引入局域磁场可实现对电偶极矩与磁偶极矩的有效调控。通过构筑这类新型磁光纳米材料，能够实现磁诱导光学活性，为开发新型手性无机纳米材料提供了新途径。他们以常见的一维硫属化合物半导体纳米棒为例，通过在纳米棒的顶点处集成Ag2S/Au核壳结构组分，催化Fe3O4磁性纳米颗粒的定点生长，成功构筑了ZnxCd1-xS-Ag2S/Au@Fe3O4 (x = 1, 0.9, 0.5, 0.3, 0) 四元异质纳米棒（图2）。得益于这种局域磁场调控机制，异质纳米棒的电偶极矩发生偏转并与磁偶极矩产生非零相互作用，从而在不引入手性配体、螺旋结构或手性晶格的前提下，展现出了手性光学活性（图3）。
图2：四元异质纳米棒的外延生长表征。（a-b）高分辨图像显示每种组分晶面，展示了沿立方晶体[111]轴的外延生长方向。（c）异质纳米棒的三维模型和俯视投影图。（d）晶面原子模型。（e）纳米棒组分元素分布。（f-h）纳米棒端点结构分析。
图3：局域磁场在胶体异质纳米棒中的光学活性体现。（a）电偶极矩与磁偶极矩的相互作用与材料的手性关系。（b）异质纳米棒的磁滞回线。（c-d）圆二色性测试结果。（e-f）磁圆二色性测试结果。
研究结果表明，该方法具有高度普适性，可广泛用于多种半导体材料与磁性组分间的耦合，为今后设计开发手性光学活性纳米材料开辟了新途径。同时，这种新型磁光半导体纳米材料的成功开发使得在室温下的各向异性铁磁性以及自旋操控成为可能，从而有望为自旋电子学和量子计算技术提供新的材料平台。
该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8
（合肥微尺度物质科学国家研究中心，化学与材料科学学院，科研部）