[发明专利]一种通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶及其制备方法，涉及光学材料技术领域，所述磁性材料为亚铁磁性纳米材料，所述制备方法包括以下步骤：将亚铁磁性纳米材料分散并固化在水凝胶中，随后在外磁场中进行定向磁化，即得到通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶。水凝胶中的亚铁磁性纳米粒子在平行磁场中进行磁化后，磁性水凝胶的磁偶极矩趋向于与外加磁场方向一致导致该材料的磁偶极矩得到增大。外加磁场消失后由于亚铁磁性材料的固有性质，其磁偶极矩仍然保持，从而该材料的光学活性得到增强。

技术领域

本发明涉及光学材料技术领域，特别是涉及一种通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶及其制备方法。

背景技术

早在19世纪，巴斯德即发现当平面偏振光通过酒石酸溶液时，平面偏振光会发生偏转；而对于两种相对不同晶型的酒石酸来讲，通过其溶液的偏振光的偏转方向则呈相反方向，这种能使偏振光偏转的性能被称为旋光性，亦被称为光学活性。早在1845年，当法拉第研究电、磁与光学现象之间的相关联系时，即发现当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转，这就是磁致旋光现象。平面偏振光在无磁场条件下偏转的原因是手性材料对偏振光吸收程度不同，而后者的原因则是由于磁光介质在磁场下能级发生塞曼分裂从而造成对偏振光吸收程度上的差异，此中吸收差异对所有材料均适用。法拉第磁光效应在科学研究、工业和医疗中均具有广泛应用，如激光技术中的磁光隔离器和电磁场强度测量，不对称合成化学物质的纯度控制，糖分测定，总核糖和核酸的测量等。

任何材料在磁场中均会被磁化，并显示出一定的磁化特性，根据材料在外磁场中表现出的磁性强弱可将材料磁性划分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、抗磁性和顺磁性。对于放置于外磁场的铁磁性和亚铁磁性水凝胶而言，其磁偶极矩会趋向于沿外加磁场方向进行排列从而增大整个材料的磁偶极矩。在撤去外加磁场后，铁磁性和亚铁磁性材料仍会保持其磁化状态，亦即其整体磁偶极矩仍与外加磁场方向平行。由Rosenfold光学活性强度公式可知，材料的光学活性由材料本身的电跃迁偶极矩和跃迁磁偶极矩所决定，当增大光学材料的磁偶极矩时材料相应的光学活性也会得到增强，因此可以通过电磁场对材料的光学活性进行调节。

发明内容

本发明提出一种通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶及其制备方法，通过将亚铁磁性纳米材料分散并固化在水凝胶中，然后在平行外磁场中进行定向磁化从而使该材料的磁偶极矩得到增大。当外加磁场消失后由于磁性材料固有特性，其磁偶极矩仍然保持且与外加磁场平行，其光学活性也不会消失或相应减小，从而构建出局域磁场进而得到高光学活性的磁性水凝胶。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶，所述磁性材料为亚铁磁性纳米材料。

进一步地，所述亚铁磁性纳米材料为γ-Fe₂O₃。

一种通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：用亚铁磁性纳米颗粒(Nanoparticles,NPs)与水凝胶前驱体进行混合固化，随后在外磁场中进行定向磁化，得到可通过局域磁场调控光学活性的磁性水凝胶。

进一步地，所述γ-Fe₂O₃纳米颗粒的制备方法包括如下步骤：将L-缬氨酸与六水合氯化铁依次溶解于反应溶剂中，加入尿素后转移入100mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，随后在200℃下反应12h即制得磁性纳米粒子。在制备手亚铁磁性纳米材料过程中，使用溶剂热法，在混合溶剂(如丙三醇/水混合溶剂)制备具有单分散磁性纳米粒子。

进一步地，所述单体为丙烯酰胺(AA)，交联剂为亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)，催化剂为四甲基乙二胺(TMED)，引发剂为过硫酸钾(KPS)。

进一步地，所述制备水凝胶的各组分分别溶解到去离子水中，浓度分别为20wt.％AA、1vol.％TMED，1wt.％NMBA和5wt.％KPS。