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一、研究背景与引言

自旋交叉材料的应用潜力与加工挑战

自旋交叉（SCO）材料能够在低自旋（LS）和高自旋（HS）构型之间动态转换，这种转换会引发材料在磁性、光学、机械等多方面性质的显著变化。凭借这些丰富的物理化学特性，SCO 材料在磁性存储器、传感器、执行器和显示器等众多先进领域展现出了巨大的应用潜力。

然而，SCO 材料在实际应用中面临着严峻的挑战，其中关键问题在于材料的加工处理。传统的加工方法，像化学气相沉积（CVD），由于 SCO 配合物的热脆性而受到限制；湿接枝或逐层组装方法不仅耗时费力，只能制备有限层数的薄膜，而且在覆盖更大面积时，其可扩展性也存在不确定性。即便近期出现了一些在纳米结构载体上进行原位加工的策略，如二维材料或金纳米颗粒，虽然展现出了有趣的界面协同效应，但通常只能获得少量材料，难以实现规模化生产。

二、3D 流聚焦微流体技术的突破

为解决上述难题，研究团队引入了 3D 流聚焦微流体技术。该技术利用 3D 同轴流聚焦微流体装置，实现了 SCO 复合物Fe(Htrz)₂(trz)的原位合成，并将其均匀地结合到海藻酸钠纤维中。

此装置具有三个入口通道，包括一个用于中心流的中央通道和两个用于鞘流的侧通道，以及一个用于释放产物的出口。通过调节前驱体的注入位置和相对流量比（FRR），能够精确控制反应 - 扩散（RD）区，从而实现对 SCO 复合纤维的物理化学和磁性性质的调控。

以不同的前驱体注入位置为例，当注入位置不同时，会产生不同类型的颗粒。比如，Class I 颗粒是通过在侧入口通道注入 Fe (BF₄)₂的乙醇溶液，在中央入口通道注入 Htrz 的水溶液来合成的；而 Class II 颗粒则是保持总流量（TFR）和 FRR 不变，但切换前驱体的注入位置来生成的。

这两种颗粒在形貌上存在明显差异，Class I 颗粒呈棒状，平均直径为 293 nm，Class II 颗粒则兼具球形和细长形状，平均尺寸更小，为 195 nm。

三、从颗粒到纤维：磁性与结构的精准设计

SCO 复合纤维的性能与 FRR（流量比）密切相关。在 Class I 纤维中，随着 FRR 从 0.5 增加到 9，其晶相组成发生了明显变化，从含有较多多晶型 I 的相混合物逐渐转变为含有更多多晶型 II 的相混合物。这种晶相的转变也反映在磁性上，随着 FRR 的增加，低温下 Fe (II) 的 HS 分数逐渐提高，同时在热循环过程中磁信号整体增强。

从表面形貌来看，Class I 纤维的表面随着 FRR 的增加变得越来越均匀。当 FRR 为 0.5 时，表面相对粗糙，而 FRR 增大到 9 时，表面变得较为光滑。与之不同的是，Class II 纤维呈现出褶皱表面，并且随着 FRR 的增加，褶皱变得更加明显。

在磁性方面，Class I 和 Class II 纤维的磁滞回线宽度（ΔT）分别为 25 K 和 29 K，均小于块体 [Fe (Htrz)₂(trz)] BF₄的 ΔT（40 K）。这种差异主要归因于纤维中存在[Fe (Htrz)₂(trz)] BF₄的多晶型混合物，不同的多晶型混合比例影响了材料的磁性行为。

四、从纤维到架构：3D 打印与编码技术

微流体技术不仅实现了 SCO 复合纤维的制备，还支持其直接 3D 打印，能够构建出各种自由站立的结构，如 3D 结构、复杂图案等，甚至可以生产独立的隔离纤维。这些结构在空气中表现出优异的长期稳定性。

更为创新的是，受自然界中蜘蛛丝非径向成分控制的启发，研究团队重新设计了微流体装置，实现了对纤维内 [Fe (Htrz)₂(trz)] BF₄空间分布的时间控制，从而生成了 SCO 编码纤维。通过选择性激活中央入口，能够制备出完全负载 SCO 颗粒的海藻酸盐片段、纯海藻酸盐片段，以及 SCO 颗粒在纤维直径上非径向分布（如仅在一侧）的海藻酸盐纤维片段。这种对分子开关的化学编码为其在实际设备中的应用开启了令人兴奋的新可能。

五、结论与未来展望

这项研究表明，在 3D 控制 RD 区的条件下，连续流微流体装置能够直接且连续地制备出 SCO 聚合物纤维，并且 SCO 材料在聚合物基质中分布均匀。通过调整前驱体注入位置和流量，能够定制具有空心或实心结构、展现出多种磁性行为的 SCO 复合纤维。此外，该技术还便于打印具有确定形状的独立架构，并将纤维隔离为独立单元。

这项研究成果凸显了微流体方法的变革潜力，为科学界和工业界将分子开关融入适合实际应用的材料中开辟了新的途径。未来，这种方法有望拓展到更多功能材料体系，推动相关领域的进一步发展。

一起来做做题吧

1、自旋交叉（SCO）材料的主要应用不包括以下哪项？

A. 磁性存储器

B. 传感器

C. 太阳能电池

D. 显示器

2、3D 流聚焦微流体装置通过调节什么参数来控制 SCO 复合纤维的磁性？

A. 前驱体注入位置与流量比（FRR）

B. 反应温度

C. 光照强度

D. 磁场强度

3、当 FRR 从 0.5 增加到 9 时，Class I 纤维的晶相如何变化？

A. 从多晶型 I 主导转变为多晶型 II 主导

B. 从多晶型 II 主导转变为多晶型 I 主导

C. 晶相组成无明显变化

D. 完全转变为非晶态

4、SCO 编码纤维的非径向分布设计灵感来源于？

A. 蜘蛛丝的蛋白质组成调控

B. 蝴蝶翅膀的结构色

C. 蜂巢的六边形结构

D. 贝壳的层状结构

5、微流体技术解决 SCO 材料加工的核心挑战不包括？

A. 材料分布不均匀

B. 规模化生产困难

C. 磁性调控复杂

D. 热脆性限制

参考文献：

A. T. Ngo, et al. On-the-Fly Synthesis of Freestanding Spin-Crossover Architectures With Tunable Magnetic Properties. Adv. Mater. 2025, 2420492.