新型荧光磁流体 — 多硝酰稀土酸盐离子液体

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无机固体材料的声子能量和微观磁结构决定于其组分和晶型,很难实现发光和磁性能的整体优化。近年来,科学家们将具有发光和磁性的功能基团或离子引入离子液体中,得到很多新型的多功能软材料。这些研究不仅推动了磁性发光软材料的发展,也促进了场致流动、磁性存储、可穿戴电子设备、自旋量子器件的研究。

 

稀土离子液体是指稀土元素作为阴/阳离子结构组成一部分的离子液体,它将离子液体熔点低、液程宽、蒸气压低、可供筛选离子种类多等优点与稀土离子长寿命锐线发光、高磁矩、强磁各向异性等优势结合,通过改变其离子种类和配比、熔点、黏度、稳定性等物理化学性质,从而得到一种新型的荧光磁流体材料。因此,合成并研究这种熔点低、液程宽且化学性质稳定的稀土离子液体对于磁性发光软材料的开发具有重要意义。

 

最近,四川大学化学学院何玲教授(点击查看介绍)和陶国宏教授(点击查看介绍)等人报道了基于稀土钆、铽、镝的磁性离子液体,并对其进行系统表征。研究发现,这些咪唑基多硝酰稀土酸盐离子液体结构稳定、液相温度区间宽、发光色纯度高、荧光寿命长、磁矩大,且表现出较强的光、磁响应现象,是一类发展前景广阔的多重刺激响应软材料。相关成果近期发表在Inorganic Chemistry 上。

 

在发光方面,基于铽、镝的离子液体具有优异的光致荧光性能,在紫外线的激发下能够发射出绿色和黄色荧光。荧光光谱表明,这些离子液体可以发射出稀土离子的特征谱线,且发光色纯度很高。瞬态荧光测试表明,这些化合物具有很长的荧光寿命,且其荧光强度均呈单指数衰减,由此说明稀土离子在组分中所处的化学环境单一且稳定。此外,多组对比实验结果表明,咪唑阳离子的种类对其荧光性能影响不大,为通过改变其阳离子进而调节稀土离子液体的物化性质而不改变其发光性能提供了可能性。

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图1. 荧光激发和发射光谱

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图2. 荧光衰减曲线

 

在磁性方面,这些化合物的室温摩尔磁化率分别达到0.252 emu/mol、0.039 emu/mol和0.046 emu/mol,高于多数已报道的磁性离子液体。这些磁性离子液体的磁化曲线在20 K以上,符合居里定理,热运动大大减弱了其磁性中心之间的相互影响。他们通过计算得知,其单分子磁矩分别为:7.76 μB、9.69 μB和10.44 μB,与这些稀土离子理论磁矩十分接近。磁化率倒数-温度曲线在低温下偏离线性,通过外推得知,其Weiss温度分别为0.32 K、-1.13 K、-7.79 K,表明稀土离子之间表现出明显的磁相互作用,其场致自旋翻转受到阻滞。

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图3. 磁性质曲线

此外,他们通过更直观的光磁现象实验看出,涂覆了“荧光磁墨水”的纸片,在紫外灯下能够表现出明亮的荧光字迹,且可以被磁铁吸引而不掉落;在磁铁的吸引下,这些稀土离子液体可以在U形管中流动并出现明显的液面差;滴在疏液PTFE薄膜上的磁性液滴可以在磁铁的吸引下发生变形甚至滚动。这些优异的光磁性能表明,该类稀土离子液体有望用于设计各类独特的软材料产品,在防伪技术、液体操控等领域都具有非常广阔的应用前景。

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图4. 荧光磁墨水实验、U型管实验、液滴磁响应

 

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