1. 铁性纳米材料的可控合成与制备 

Controlled Synthesis of Ferroic Nanomaterials

我们致力于发展可靠的铁电、铁磁纳米材料的化学合成方法（如溶胶凝胶、水热、高温热裂解等）和物理制备方法（如溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积等）。通过控制反应条件，控制晶体生长的动力学和热力学，从而调控材料的组分、形貌、缺陷种类和密度，进一步调控其光、电、磁、热等物理性能。

We are dedicated to developing the reliable chemical synthesis methods (such as sol-gel, hydrothermal, thermal decompositions, etc.) and physical preparation methods (such as sputtering, pulsed laser deposition, atomic layer deposition, etc.) for ferroelectric and ferromagnetic nanomaterials. By controlling the reaction conditions to adjust the kinetics and thermodynamics of crystal growth, we can regulate the composition, morphology, defect type and density of the materials, which can further influence the optical, electrical, magnetic, and thermal properties.

Representative publications:

[1]      Kim, D.; Rossell, M. D.; Campanini, M.; Erni, R.; Puigmartí-Luis, J.; Chen, X. Z.*; Pané, S.; Magnetoelectric coupling in micropatterned BaTiO₃/CoFe₂O₄ epitaxial thin film structures: augmentation and site-dependency. Applied Physics Letters 2021,119, 012901. LINK

[2]      Terzopoulou, A.; Hoop, M.; Chen, X. Z.*; Hirt, A. M.; Charilaou, M.; Shen, Y.; Mushtaq, F.; Pérez del Pino, A.; Logofatu, C.; Simonelli, L.; deMello, A. J.; Doonan, C. J.; Sort. J., Nelson, B. J.; Pané, S.*; Puigmartí-Luis, J.*, Mineralization-inspired synthesis of magnetic zeolitic imidazole frameworks. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 13550-13555. LINK

[3]      Mushtaq, F.; Asani, A.; Hoop, M.; Chen, X. Z.*; Ahmed D., Nelson, B. J.; Pané, S.*, Highly efficient coaxial TiO₂-PtPd tubular nanomachines for photocatalytic water purification with multiple locomotion strategies. Advanced Functional Materials, 2016, 26 (38), 6995-7002. LINK

[4]      Chen, X. Z.; Chen, X.; Guo, X.; Cui, Y. S.; Shen, Q. D.; Ge, H. X., Ordered arrays of defect-modified ferroelectric polymer for non-volatile memory with minimized energy consumption. Nanoscale 2014, 6 (22), 13945-13951. LINK

 

2. 铁性纳米材料中的新物性探究

Exploring Novel Physical Properties of Ferroic Nanomaterials

当纳米材料足够小时，尺寸效应便会显现。这时，材料会表现出许多不同于宏观尺度上的性能，例如：磁性材料的超顺磁状态、铁电材料中铁电性的消失、挠曲电效应占比的放大、氧化物材料的超弹性和形状记忆效应等等。我们也对这些随着尺寸减小而逐渐显现的材料的新奇特性感兴趣。一方面，我们会探寻这些材料中新奇物性（结构上）的来源，以及探究用何种手段可以去有效调控这些新奇的物性；另一方面，我们也会挖掘这些具有新物性的材料的应用潜力。

Size effects appear when materials turn to nano. Examples include superparamagnetic effect, dissappearance of ferroelectricity in nanoparticles, and so on. We are also interested in those emerging phenomena as the size decreases. On one hand, we explore the sources of these novel physical properties, and investigate the methods how to effectively regulate these novel properties. On the other hand, we also explore the potential applications of these materials with novel physical properties.

       Representative publications:

[1]      Kim, D.; Kim, M.; Reidt, S.; Han, H.; Baghizadeh, A.; Zeng, P.; Choi, H.; Puigmartí-Luis, J.; Trassin, M.; Nelson, B. J.; Chen, X. Z.*; Pané, S.*, Shape-memory effect in twisted ferroic nanocomposites. Nature Communications 2023, 14, 750. LINK

形状记忆合金的形状恢复能力通常会在临界尺寸（~50 nm）以下消失，这阻碍了其在纳米尺度上的应用。本文制备了基于铁电氧化物薄膜的扭曲结构，在这些结构中可以实现大于8%的可恢复形变，原因在于这种扭曲的几何结构设计放大了畴反转带来的应变。这种结构突破了传统的形状记忆合金的尺寸限制，为设计用于纳米机器人和人造肌肉纤维等小型执行装置的大行程形状记忆材料开辟了新的途径。

[2]      Kim, M.; Kim, D.; Aktas, B.; Choi, H.; Puigmartí‐Luis, J.; Nelson, B. J.; Pané, S.*; Chen, X. Z.*, Strain‐Sensitive Flexible Magnetoelectric Ceramic Nanocomposites. Advanced Materials Technologies 2023, 2202097. LINK

磁电氧化物材料可以实现磁能与电能间的相互转换，可应用于先进传感、数据存储和通信，但其脆性使其应用很大程度局限于刚性器件。本文报道了柔性磁电氧化物复合材料(BaTiO₃/CoFe₂O₄) 纳米薄膜结构，其磁电耦合系数可以通过机械拉伸的程度来调制，并且该调制是可逆的。该工作为功能氧化物薄膜在柔性器件中的集成提供了新的思路。

[3]      Llacer-Wintle, J.; Renz, J.; Hertle, L.; Veciana, A.; Arx, D. v.; Wu, J.; Vukomanovic, M.; Puigmartí-Luis, J.; Nelson, B. J.; Chen, X. Z.*; Pané, S.*, The magnetopyroelectric effect: Heat-mediated magnetoelectricity in magnetic nanoparticle-ferroelectric polymer composites. Materials Horizons 2023, 10, 2627-2637. LINK

磁电复合材料通常是将压电相和磁致伸缩相复合在一起，通过应力介导实现磁-电耦合。然而，高性能磁致伸缩材料是制约新型磁电材料发展的瓶颈。本文制备了磁性纳米颗粒-热释电聚合物复合物。在高频交流磁场下，磁性纳米颗粒升温，导致热释电材料去极化，产生热释电流。这种磁-热释电效应为新型的磁-电材料，尤其是生物相容性好的磁-电材料提供了新的途径。

3. 磁-力-电-化学的多场耦合效应

Magneto-Mechano-Electro-Chemistry Coupling

压电材料和磁电耦合材料分别在外力和外磁场的作用下，会发生极化状态的改变，导致其表面上电荷发生不对称分布。产生的极化电场或者表面电荷可以用于引发或者增强某些化学反应。与传统的电化学反应相比较，磁电-化学或者压电-化学耦合效应不需要有线的电极，靠声波震动或磁场就可以无线地引发化学反应，因而在某些场合下会有重要的应用，例如狭小空间内的污物清理或者远程控制人体内药物递送。

Under external forces or magnetic fields, the polarization states of the piezoelectric or magneto-electric coupling materials will change respectively, leading to an asymmetric distribution of surface charges. The generated electric fields or surface charges can be used to initiate or enhance certain chemical reactions. Compared to the wired electroded electrochemical reactions, magneto-electro-chemical and piezo-electro-chemical coupling effects can wirelessly trigger chemical reactions through magnetic fields or acoustic vibrations. Such effects makes those materials useful in certain scenarios, such as cleaning the contaminants in confined spaces or remotely controlling the drug delivery within the human body.

       Representative publications:

[1]      Kim, D.; Efe, I.; Torlakcik, H.; Terzopoulou, A.; Picazo, A. V.; Siringil, E.; Mushtaq, F.; Franco, C.; von Arx, D.; Sevim, S.; Puigmartí-Luis, J.; Nelson, B.; Spaldin, N. A.; Gattinoni, C.*; Chen, X. Z.*; Pané, S.*, Magnetoelectric effect in hydrogen harvesting: magnetic field as a trigger of catalytic reactions. Advanced Materials, 2022, 2110612. LINK

本文利用具有磁电效应的复合多铁性CoFe₂O₄-BiFeO₃核壳纳米粒子在交变磁场的作用下进行了催化水分解析氢反应。该发现将为磁感应可再生能源开辟新的途径。

[2]      Mushtaq, F.*; Chen, X. Z.*; Torlakcik, H.; Steuer, C.; Hoop, M.; Siringil, E. C.; Marti, X.; Limburg, G.; Stipp, P.; Nelson, B. J.; Pané, S.*, Magnetoelectrically driven catalytic degradation of organics. Advanced Materials, 2019, 31, 1901378. LINK

本文利用具有磁电效应的复合多铁性核壳纳米粒子在交变磁场的作用下进行了高效催化降解有机污染物实验。

[3]      Mushtaq, F.*; Chen, X. Z.*; Hoop, M.; Torlakcik, H.; Pellicer, E.; Sort, J.; Gattinoni, C.; Nelson, B. J.; Pané, S., Piezoelectrically Enhanced Photocatalysis with BiFeO3 Nanostructures for Efficient Water Remediation. iScience (cell press) 2018, 4, 236-246. LINK

本文制备了BiFeO₃纳米材料，并且研究了其光催化、压电催化、以及光-压电联合催化过程。

[4]      Mushtaq, F.*; Torlakcik, H.; Hoop, M.; Jang, B.; Carlson, F.; Grunow, T.; Läubli, N.; Ferreira, A.;  Chen, X. Z.*; Nelson, B. J.; Pané, S., Motile Piezoelectric Nanoeels for Targeted Drug Delivery. Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1808135. LINK

本文介绍了一种柔性的磁-电纳米复合结构作为微泳器。通过改变磁场的大小、频率及方向，可以选择使微泳器处于运动模式（药物几乎不释放）或药物释放模式（微泳器在原位），以此减小药物递送过程中对健康组织的副作用。

[5]      Chen, X. Z.; Hoop, M.; Shamsudhin, N.; Huang, T.; Özkale, B.; Li, Q.; Siringil, E.; Mushtaq, F.; Tizio, L. D.; Nelson, B. J.; Pané, S., Hybrid magnetoelectric nanowires for nanorobotic applications: fabrication, magnetoelectric coupling and magnetically-assisted targeted drug delivery. Advanced Materials 2017, 29, 1605458.  (This work has been reported in Advanced Science News, etc..) LINK

本工作设计和制造了基于磁电耦合材料的纳米棒。我们不仅能够通过磁场无线地将微结构精确地引导到目标位置，还可以改变磁场驱动模式，使其借助磁电效应，达到药物的可控释放。

4. 铁性材料的生物学效应与应用

Biological Effects and Applications of Ferroic Materials

磁性纳米材料被广泛应用在磁共振成像、磁性纳米粒子成像、磁热治疗等诊疗手段中；压电材料最近在细胞刺激、组织再生、声动力疗法、人-机交互界面等领域逐渐崭露头角。在这一方向上，我们也做了初步的尝试，将来会继续沿着这一方向进行研究：探索磁性、电性与生物体在细胞、活体层面上的相互作用，并以此为基础，挖掘这些材料在提供新型治疗方案方面的潜力。

Magnetic nanomaterials have been broadly used in the diagnostics and therapeutics, such as magnetic resonance imaging, magnetic nanoparticle imaging, and magnetic hyperthermia treatment. Piezoelectric materials are increasingly emerging in the fields of cell stimulation, tissue regeneration, sonodynamic therapy, and human-machine interaction. We have made preliminary attempts in these fields, and will continue to explore the interactions between the magnetism, electricity, and biological entities. And we will continue to investigate the potential of these materials in novel therapeutic solutions.

       Representative publications:

[1]      Dong, M.^†; Wang, X. ^†; Chen, X. Z. ^†*; Mushtaq, F.; Deng, S.; Zhu, C.; Torlakcik, H.; Terzopoulou, A.; Qin, X.-H.; Xiao, X.; Puigmarti-Luis, J.; Choi, H.; Pêgo A. P.; Shen, Q.-D.*; Nelson, B. J.; Pané, S.*, 3D-printed Biodegradable Soft Magnetoelectric Microswimmers for Delivery and Differentiation of Neuron-like Cells. Advanced Functional Materials, 2020, 1910323. LINK

细胞疗法有望成为治疗神经性疾病的潜在疗法，然而，细胞的靶向运输和原位分化仍然具有挑战性。本文介绍了一种高度集成的多功能软螺旋微泳器，具有靶向神经细胞输送、无线神经元电刺激和任务过后酶降解等特点，将为创伤性损伤和中枢神经系统疾病的靶向细胞治疗开辟新的途径。

[2]      Chen, X. Z.; Liu, J.-H.; Dong, M.; Müller, L.; Chatzipirpiridis, G.; Hu, C.; Terzopoulou, A.; Torlakcik, H.; Wang, X.; Mushtaq, F.; Puigmartí-Luis, J.; Shen, Q.-D.; Nelson, B. J.; Pané, S., Magnetically Driven Piezoelectric Soft Microswimmers for Neuron-like Cell Delivery and Neuronal Differentiation. Materials Horizons, 2019, 6, 1512-1516. LINK

治疗神经元创伤的主要障碍之一是神经元有限的再生能力。本文提出了一种用于神经再生治疗的非接触式、可控的神经细胞输送和原位分化的概念性方法。通过将磁控微泳者器件与压电材料相结合，以精确控制的方式运输细胞；同时超声振动下产生的电刺激可以促使类神经细胞分化。希望该工作能够为治疗创伤性神经元损伤和神经元退行性疾病提供新的思路。

[3]      Mushtaq, F.; Torlakcik, H.; Vallmajo-Martin, Q.; Siringil, E.; Zhang, J.; Röhrig, C.; Shen, Y.; Yu, Y.; Chen, X. Z.*; Müller, R.; Nelson, B. J.; Pané, S., Magnetoelectric 3D Scaffolds for Enhanced Bone Cell Proliferation. Applied Materials Today, 2019, 16, 290-300. LINK

本文介绍了一种用于诱导细胞增殖的三维磁电支架。利用磁电耦合效应，使支架在外部磁场的作用下产生局部电场，进而刺激支架附近的细胞增殖。该工作进一步证明了磁电效应对调节细胞功能的有利影响，并为未来利用这一效应进行组织工程和再生医学提供了理论依据。

[4]      Hoop, M.; Chen, X. Z.*; Ferrari, A.*; Mushtaq, F.; Ghazaryan, G.; Tervoort, T. A.; Poulikakos, D.; Nelson, B. J.; Pané, S.*, Ultrasound-mediated piezoelectric differentiation of neuron-like PC12 cells on PVDF membranes. Scientific Reports, 2017, 7, 4028. LINK

本文研究了压电聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)作为无线诱导神经元分化基体的潜力。压电PVDF能够在超声刺激下在其表面产生电荷，诱导PC12类神经细胞再生。超声能够传入生物组织深处，这为开发非侵入性神经再生设备带来了新的思路。

5. 基于铁性纳米材料的新器件

New Devices Based on Ferroic Nanomaterials

作为智能材料，铁磁、铁电、压电、磁电材料由于其优异的性能，在诸多领域具有广泛的应用。我们前期的工作主要集中在磁控微机器人。未来我们会针对传感器、执行器、人-机交互界面、机器人等领域的特殊需求，结合材料合成方法与先进制造工艺，开发基于铁性纳米材料的新器件。

As smart materials, the ferromagnetic, ferroelectric, piezoelectric, and magneto-electric materials possess unique properties and are widely used in various fields. Our early work mainly focuses on the magnetically controlled microrobots. With the special demand in sensors, actuators, human-machine interfaces, and robotics, we will continue to develop the new devices based on these ferroic nanomaterials in the future. 

       Representative publications:

[1]      Sanchis‐Gual, R.;  Ye, H.;  Ueno, T.;  Landers, F. C.;  Hertle, L.;  Deng, S.;  Veciana, A.;  Xia, Y.;  Franco, C.;  Choi, H.;  Puigmartí‐Luis, J.;  Nelson, B. J.;  Chen, X. Z.*; Pané, S.*, 3D Printed Template‐Assisted Casting of Biocompatible Polyvinyl Alcohol‐Based Soft Microswimmers with Tunable Stability. Advanced Functional Materials 2023, 2212952. LINK

本文报道了基于聚乙烯醇磁性水凝胶的稳定性可调的微机器人。

[2]      Llacer Wintle, J.; Rivas-Dapena, A.; Chen, X. Z.*; Pellicer, E.; Nelson, B.; Puigmartí-Luis, J.; Pané, S.; Biodegradable Small-Scale Swimmers for Biomedical Applications. Advanced Materials 2021, 2102049. LINK

从生物学的角度来看，所有生物体都将面临衰败和死亡，这应当同样适用于植入式微型器件。因此，微型机器人在完成治疗任务后能否实现生物可降解成为了该技术从实验转化为临床的关键问题。本文综述了生物医用可降解微纳米微机器人的研究进展。

[3]      Gervasoni, S.; Terzopoulou, A.; Franco, C.; Veciana, A.; Pedrini, N.; Burri, J.; de Marco, C.; Siringil, E. C.; Chen, X. Z.*; Nelson, B. J.;  Puigmartí-Luis, J.; S. Pané., CANDYBOTS: A New Generation of 3D-Printed Sugar-based Transient Small-Scale Robots. Advanced Materials, 2020, 32 (52), e2005652. LINK

糖类普遍存在于食物中，几乎是所有生命形式的主要能量来源之一。得益于其固有的可降解性、可再生性和生物相容性，糖是可降解机器人的很好的备选材料。本文介绍了一种用于糖基复合材料的磁性微机器人的制造方法。

[4]      Chen, X. Z.; Jang, B.; Ahmed, D.; Hu, C.; De Marco, C.; Hoop, M.; Mushtaq, F.; Nelson, B. J.; Pane, S., Small-Scale Machines Driven by External Power Sources. Advanced Materials. 2018, 30 (15), 1705061. LINK

微纳米机器人在微创外科手术、靶向治疗、细胞操控、环境监测和水修复等领域显示出巨大的应用潜力。本文综述了基于磁、光、声、电、热各种外场及其组合来操纵微纳机器人的最新进展，重点介绍了微纳机器人的设计和推进机理，并简要的讨论了它们的制备和应用。

[5]      Chen, X. Z.; Hoop, M.; Mushtaq, F.; Siringil, E.; Hu C. Z.; Nelson, B. J.; Pané, S., Recent developments in magnetically driven micro- and nanorobots. Applied Materials Today, 2017, 9, 37-48. (Invited Review) LINK

本文综述了磁场驱动纳米机器人的相关进展。

[6]      Chen, X. Z.; Shamsudhin, N.; Hoop, M.; Pieters, R.; Siringil, E.; Sakar, M. S.; Nelson, B. J.; Pané, S., Magnetoelectric micromachines with wirelessly controlled navigation and functionality. Materials Horizons, 2016, 3 (2), 113-118. (This work has been showcased in renowned channels such as The Times, Mirror Online, ETH News, Phys.org, etc..) LINK

微生物可以被认为是高度集成的微型器件，其能量主要来源于食物，不仅可以应用于控制其自身的运动，而且可以用来完成生物本身许多的功能（如呼吸、繁殖）。目前，微型机器人集成水平相对较低，而且应用于运动控制和功能触发的能量通常分属不同的来源。本文通过集成磁电材料，开发了一种可以由单一能源(磁能)供能的多功能触发的原型微机器，提出了简化操作系统的高度集成微机器的概念。

[7]      Hoop, M.; Shen, Y.; Chen, X. Z.*; Mushtaq, F.; Sakar, M. S.; Petruska, A.; Loessner, M. J.; Nelson, B. J.; Pané, S.*, Magnetically driven silver-coated helical nanorobots for efficient bacterial contact killing. Advanced Functional Materials, 2016, 26 (7), 1063-1069. LINK

多重耐药细菌菌株对传统抗生素疗法的威胁成为了一个重大的世界性健康风险。本文报道了一种利用镀银磁性纳米螺旋微机器人来杀灭细菌的策略。