铁被“关”进纳米管后性格大变？科学家发现罕见铁相
2025年12月02日
银河7163官网团队发现罕见铁相，为下一代磁性与量子材料打开新大门。
铁，是再普通不过的金属。但当它被“关”进只有几纳米粗的碳纳米管里，却会表现出完全不同的性格。
7163银河主站线路检测化学与材料科学系 Filippo Boi 博士团队的最新研究表明：被限制在碳纳米管中的铁，会形成在常温常压条件下几乎不可能出现的罕见晶体结构（铁相）。
这些特殊铁相还带来了独特的磁学行为，为设计新一代磁性材料、自旋电子学材料以及量子功能材料提供了全新可能。
铁“住进”纳米管，会发生什么？
你可以把碳纳米管想象成由很薄的碳片卷成的极细小“吸管”，管壁只有单原子厚，多层卷在一起，呈同心圆筒结构。
在这项研究中，科学家把直径只有几纳米的铁纳米线塞进了这些纳米管中，就像把一根更细的金属丝穿进极细的塑料管里。
团队使用了原位化学气相沉积（CVD）技术，让每一根碳纳米管内部都填充了连续的铁纳米线。
但真正神奇的事情，发生在之后的加热与冷却步骤。
罕见铁相被“锁定”：普通铁变“高压铁”
在自然界中，铁的晶体结构（简称“铁相”）非常稳定，只有在极高压力或特殊环境下才会改变排列方式。
然而在碳纳米管的“微型牢笼”里，铁变得不同寻常。
研究团队通过慢速与快速冷却的控制，成功让铁在室温下稳定存在为：
- 面心立方（fcc）铁
- 六方密排（hcp）铁
这两种铁相通常只在高压或非平衡条件下短暂出现。换句话说，碳纳米管像是给铁施加了“纳米级压力”，让它在日常环境中呈现出平时看不到的形态。
罕见的“双重磁性”：铁磁+反铁磁的组合拳
更令人惊讶的是，被封装的铁纳米线呈现出一种罕见的磁性组合：既表现铁磁性，也表现反铁磁性。
简单理解：
- 铁磁性：原子磁矩方向一致，就像无数小磁针都指向同一方向。
- 反铁磁性：磁矩成对、反向排列，彼此抵消。
当这两种截然不同的磁性在纳米尺度上相遇，就会出现一种关键效应：交换偏置（exchange bias），这是自旋电子设备、磁记录技术、磁阀传感器等领域的重要物理基础。
这意味着：纳米管中的铁纳米线可能成为未来高性能自旋电子学元件的核心材料。
“看到原子如何改变行为”和应用前景
Boi 博士这样总结这项工作的意义：“通过将精确合成、纳米成像和磁学测试结合，我们能直接观察到材料在原子级别发生的变化，而这些变化正是决定其性能的关键。”
这项研究不仅帮助科学家理解“被限域的材料”如何改变性质，也提供了一个可推广的制造方法。
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研究团队指出，这种碳纳米管限域的方法还能用在其他金属上，如：镍、钴以及它们的合金。
这意味着未来可以在常压下稳定更多“高压相金属”。这些成果将推动多领域发展，包括：生物磁学、新型量子材料设计、纳米磁学、自旋电子学、交换偏置器件、量子存储和纳米医学局部加热技术等。
记者：王璐谣
编译：寇博
2025年12月02日