L - 半胱氨酸对 Fe3O4修饰氧化石墨烯液晶重取向与弛豫的双重影响：开启功能软材料新征程

研究人员为调控氧化石墨烯液晶（GOLC）取向，研究 L - 半胱氨酸（Cys）对 Fe3O4修饰 GOLC 的影响，发现 Cys 的双重作用，助力相关应用。

　　《L - 半胱氨酸对 Fe₃O₄修饰氧化石墨烯液晶重取向与弛豫的双重影响：开启功能软材料新征程》

在科技飞速发展的今天，功能软材料领域就像一座神秘的宝藏库，吸引着众多科研人员去探索。氧化石墨烯（GO）作为其中的一颗璀璨明星，因其独特的性质备受瞩目。它不仅具备良好的生物相容性、水分散性，还有着出色的荧光猝灭能力和非线性光学性质等。这都要归功于其表面丰富的功能基团，它们就像一个个小小的 “魔法开关”，为 GO 与外界的相互作用提供了理想的界面和活跃的位点。

近年来，基于 GO 的功能软材料更是成为研究热点。将不同的纳米颗粒融入 GO，或者用各种有机分子对其进行功能化修饰，能够显著改善 GO 的原有特性，甚至赋予它全新的功能。比如，L - 半胱氨酸（Cys）对 GO 的修饰就展现出了巨大的潜力，在检测环境有害金属离子、提升防腐性能、作为可回收催化剂用于多组分合成等方面都有出色表现。

同时，GO 形成的液晶（LC）相也为其应用开辟了新的道路。LC 相的 GO 对外界刺激有着敏锐的响应，这使得它在众多领域都能大显身手。而当 GO 的功能化和 LC 相这两大优势相结合时，更是能发挥出意想不到的效果，通过控制 GO 薄片的取向顺序，能够极大地提升这些各向异性材料的性能。

然而，在实际应用中，还有一些难题亟待解决。例如，如何更精准地控制功能化 GOLC 化合物的取向排序，这在科学研究和技术应用中都至关重要。此外，虽然磁场可以诱导 GOLC 排列，但磁场关闭后，这种取向会很快松弛，这一问题限制了其在一些领域的应用。为了解决这些问题，来自亚美尼亚 A.B. Nalbandyan 化学物理研究所等机构的研究人员展开了深入研究。

研究人员的主要目标是探究 Cys-GOLC 系统在外部磁场以及结构中存在 Fe₃O₄纳米颗粒的情况下，其取向行为会发生怎样的变化。他们详细研究了在施加磁场时，该系统的指向矢构型及其转变过程，同时也对弛豫动力学进行了分析。此外，还探索了 GOLC 在干燥液滴中的微图案形成以及如何通过外加磁场对其进行调控。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用常规溶液燃烧法合成 Fe₃O₄纳米颗粒，将其与 Cys 功能化的 GOLC 精确掺杂并搅拌，制备出铁磁向列型 LC 复合材料。然后，利用多种微观和光谱技术对材料进行表征，如通过 X 射线衍射分析（XRD）获取晶体学数据，用傅里叶变换红外 - 衰减全反射光谱（FTIR-ATR）分析化学成分，借助拉曼光谱确定键型和杂化情况等。同时，使用偏光显微镜（POM）、动态光散射（DLS）和紫外 - 可见光谱（UV-Vis Spectroscopy）等方法，在施加磁场的条件下研究材料的取向行为和弛豫特性。

下面来看看具体的研究结果。在结构和光谱分析方面，研究人员对 Fe₃O₄修饰的 Cys 功能化 GO 进行了详细表征。通过振动样品磁强计（VSM）研究发现，Fe₃O₄纳米颗粒的磁化在 M_s=63.4 emu/g 时达到饱和，剩余磁化强度 M_r=8.3 emu/g，矫顽力 H_c=86.8 Oe。而 Cys-GO 没有表现出铁磁响应，GO/Fe₃O₄和 Cys-GO/Fe₃O₄则呈现出明显的铁磁响应，不过它们的饱和磁化强度比纯 Fe₃O₄小很多，这证实了这些系统中存在磁性 Fe₃O₄纳米颗粒。从电子顺磁共振（EPR）光谱来看，GO 的光谱显示出窄信号，表明顺磁中心分布均匀，而 Cys-GO 的信号更强烈，线宽更宽，反映出其内部相互作用增强或动态行为更复杂。拉曼光谱、FTIR-ATR 光谱和 XRD 光谱等也都提供了关于材料结构和成分的重要信息。

在磁场诱导取向研究中，研究人员利用 POM 观察发现，没有磁场时，GOLC、GOLC/Fe₃O₄和 Cys-GOLC/Fe₃O₄复合材料呈随机取向；施加 0.3 T 磁场后，样品中的纳米和微片会平行于磁场排列。而且，不同材料达到完全取向的时间差异很大，GOLC 需要 1 小时，GOLC/Fe₃O₄只需 30 秒，Cys-GOLC/Fe₃O₄仅需 10 秒。通过 UV-Vis 光谱研究发现，施加磁场后，不同样品的透射光谱变化不同，这与材料的取向变化相关。DLS 测量结果显示，Cys-GOLC/Fe₃O₄样品的弛豫速率最慢，这表明 Cys 具有双重作用，既能缩短重取向 / 排列时间，又能延长弛豫时间。

此外，研究人员还展示了通过外部磁场对 GOLC 系统进行大规模微图案化的简单方法。在没有磁场时，通过胶体滴绘制沉积可以形成针织状和网状的 GO 图案；施加磁场后，图案会发生变化，在 GOLC/Fe₃O₄中还能形成条纹状图案，Cys-GOLC/Fe₃O₄系统也能实现微图案化，这为制备具有特定结构和功能的材料提供了可能。

综合研究结果，研究人员得出结论：Cys 对 GOLC 系统在磁场诱导的排列和弛豫时间上具有双重影响，即显著缩短重取向时间（从 1 小时缩短到 10 秒），同时大幅延长弛豫时间（延长一个数量级）。这种双重作用受多种因素影响，如成分浓度和尺寸、相互作用机制以及实验条件参数等。快速响应对于提高生物传感器、医学成像系统和药物递送平台等设备的效率至关重要，而延长的弛豫时间则能提升医学诊断的可靠性和治疗监测的有效性。此外，通过磁场对 GOLC 干燥液滴中微图案的创建和控制，为材料在光捕获、电荷传输等方面带来了诸多优势，使这些结构在传感、药物递送、环境监测和先进防伪材料设计等领域展现出广阔的应用前景。该研究成果发表在《Heliyon》上，为功能软材料领域的发展提供了新的思路和方向，有望推动相关技术的进一步创新和应用。