掺杂钬离子的复合材料

      钬（Ho）是一种低着色性和强磁矩的镧系元素[1]， Ho表现出任何自然元素中最高的磁矩（10.6μB）。镧系元素具有独特的功能是因为其分子内4f轨道的能量低于5d轨道的能量，并且屏蔽了4f轨道中的电子[2]。

      研究者使用一种简单的方法，通过添加Ho基于三维聚合物网络制备磁性材料。通过将聚丙烯酸（PAA）和Ho结合，三维立体地将Ho引入到聚合物基体中，成功地制备了磁性聚合物网络[1]，其中聚合物本身对磁体产生响应。钬元素通过以其本身为中心的共价键聚集在PAA基质中。本方法允许使用聚合物支架例如聚合物接枝的颗粒和交联的聚合物凝胶来制备各种各样的磁性材料。此外研究发现构建在板上的3D磁性聚合物网络会响应磁体而收缩。将大量的Ho引入内部的微米级凝胶可以根据磁体的移动而快速移动，由于高的Ho含量，这些材料对磁铁反应很快。这种制备磁性材料的方法将为材料设计提供灵活性，并大大扩展磁性材料的应用范围。

       细菌对抗生素的耐药性已成为全球性威胁。掺杂钬离子的氧化石墨烯（GO）是一种新兴的抗菌剂，结合了多种机理（物理插入和化学破坏），GO丰富的官能团使纳米材料的络合/结合能够进一步提高抗菌性能。将顺磁性金属离子（即Ho3 +）引入GO纳米片中，以提供优先的纳米片取向，因此达到协同抗菌功效[2]。我们首先将Ho3 +络合到GO纳米片上以增加其磁响应，从而使我们能够在更实际的场强下控制纳米片的取向。具有Ho3 +的GO纳米片可以在弱磁场（<0.5 T）下垂直取向，这是通过普通商用磁体即可以实现。这种优先定向增加了GO锐边的密度，以更好地穿透细菌膜。而且，缀合的金纳米团簇（AuNCs）被有效地递送到细菌中以诱导高氧化应激，这强烈干扰细菌的代谢，导致革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的死亡。该抗菌剂同时使用物理（定向GO）和化学（GO和AuNCs）机制来实现协同抗菌性能。

        利用具有低可着色性和高磁矩的钬元素制备无色磁性纳米粒子。用掺Ho的聚合物刷修饰的亚微米级SiO2颗粒几乎是无色的[3]，并能快速响应磁铁。所得的无色磁性纳米颗粒在溶剂中的分散性很好，并且人眼几乎看不见，使其可用于磁性墨水和防伪材料等应用。利用这些无色特性，我们还通过在PAAEM（3-氧(代)丁酸-2-[2-甲基-2-丙烯酰基)氧]乙基酯）中共聚合染料单体成功获得了彩色的磁性纳米粒子。通过混合三种主要的彩色磁性颗粒，即黄色磁性颗粒，品红色磁性颗粒和青色磁性颗粒，开发了全色磁性纳米颗粒[3]。另外，在该系统中，由于可以通过Ho掺杂容易地控制磁性的存在或不存在，因此可以控制包括透明色在内的各种颜色。这种使用掺Ho聚合物的简单而新颖的工艺，在实际应用中有很大的价值。

1.          Kohri, M., et al., Magnetically Responsive Polymer Network Constructed by Poly(acrylic acid) and Holmium. Macromolecules, 2018. 51(17): p. 6740-6745.

2.          Zheng, K., et al., Synergistic Antimicrobial Capability of Magnetically Oriented Graphene Oxide Conjugated with Gold Nanoclusters. Advanced Functional Materials, 2019. 29(46).

3.          Kohaku, K., et al., Full-Color Magnetic Nanoparticles Based on Holmium-Doped Polymers. ACS Applied Polymer Materials, 2020. 2(5): p. 1800-1806.