金属有机框架杂化等离激元超表面的自调节与自振荡行为研究

《Nature Communications》：Self-regulating and self-oscillating metal-organic framework hybrid plasmonic metasurfaces

本刊推荐：为解决传统刺激响应材料依赖外部控制的问题，研究人员开发了一种基于ZIF-8胶体膜与金纳米天线阵列的杂化等离激元超表面，通过热-光负反馈机制实现了光吸收的自调节行为。该器件在恒定激光照射下可诱导局部温度变化，驱动IPA蒸汽在MOF孔隙中的吸附/脱附，进而调控折射率与等离激元共振峰位，最终使单个天线单元产生自振荡现象。此项工作为设计具有生命体自主适应性的光学材料提供了新范式。

　　

在自然界中，生命体能够通过内部反馈机制实现自主调节与适应，例如植物气孔根据湿度变化自动开合以调控水分蒸腾。然而，人工材料多数仍依赖外部刺激触发响应，缺乏类似生物系统的自主性。金属有机框架（MOF）作为一种具有高孔隙率和化学可调性的多孔材料，虽已被广泛应用于气体吸附与催化领域，但其动态响应通常需借助外部控制实现。如何赋予MOF材料类似生命体的自调节能力，成为材料科学领域的重要挑战。

为解决这一问题，来自法国索邦大学等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表论文，提出了一种基于MOF杂化等离激元超表面的自调节光学器件。该器件通过耦合ZIF-8胶体膜与金纳米天线阵列，构建了热-光负反馈机制：当入射光强度增加时，等离激元天线产生局部加热，促使MOF孔隙中的异丙醇（IPA）蒸汽脱附，降低周围介质折射率，进而蓝移等离激元共振峰位，减少光吸收效率，最终实现光吸收的自主调节。更为引人注目的是，在恒定光照下，单个天线-MOF单元因吸附滞后效应与动力学延迟产生了自振荡行为，其散射强度以数十秒为周期波动，仿若纳米尺度的“蒸汽机”。

研究团队通过电子束光刻制备了周期为1μm的金纳米天线阵列，并利用旋涂法在其表面覆盖200 nm厚度的ZIF-8胶体膜。通过环境控压椭圆偏振仪与暗场超光谱显微技术，他们精确表征了MOF膜在不同温度与蒸汽压下的折射率变化（Δn≈0.25），并验证了单个天线在IPA吸附/脱附过程中等离激元峰位从788 nm（空态E）红移至850 nm（满态F）的动态响应。在850 nm激光照射下，超表面表现出60%的光吸收调节能力，且局部温升仅约6.8°C。通过单像素级散射信号追踪，研究人员发现相邻天线振荡行为独立且非同步，进一步通过热模拟证实了纳米尺度热局域化效应是导致个体化振荡的主要原因。

研究结果

自调节超表面的设计

通过耦合等离激元天线的光热效应与MOF的蒸汽吸附特性，构建了负反馈回路。当激光强度增加时，系统自动降低吸收率以抵消加热效应，实现光学稳态。

器件制备与单天线分析

ZIF-8胶体膜具有63%孔隙率，其折射率在IPA吸附/脱附过程中呈现滞后现象。纳米天线阵列的等离激元峰位分布均匀（745±10 nm），为单单元调控奠定基础。

自振荡行为：纳米“蒸汽机”

在恒定光照下，单个天线-MOF单元因吸附动力学延迟与滞后效应产生周期性散射振荡，模拟分析表明振荡频率受滞后曲线陡度与光强调控。

结论与意义

本研究首次将MOF的蒸汽吸附特性与等离激元光热效应结合，实现了光学超表面的自调节与自振荡功能。该器件不仅为自适应光学（如智能窗、光学调制器）提供了新思路，更通过纳米尺度的动态反馈机制，向具有“生命般自主性”的材料系统迈出关键一步。未来通过调控孔隙结构、蒸汽种类或天线间距，可进一步编程振荡频率与同步行为，为时序控制材料在传感、信息处理等领域的应用开辟新途径。