快重离子辐照诱导聚苯胺-七氧化四钒复合材料的分子与微结构演变及其功能调控

本研究针对有机-无机复合材料功能化改性的需求，通过150 MeV Ni+11离子辐照(PANI)2.5?(V4O7)7.5复合体系，结合XRD、HRTEM、FESEM等表征技术，揭示了辐照诱导的晶格畸变、表面粗糙度增加及带隙红移现象，为开发新型光电传感器材料提供了实验依据。

　　

在材料科学领域，如何精准调控有机-无机杂化材料的性能始终是重大挑战。聚苯胺(PANI)以其独特的导电性和环境稳定性著称，而钒氧化物(V₂O₅)则因其可变的氧化态和层状结构成为催化、储能领域的研究热点。当这两种材料复合时，其性能往往受限于界面相互作用和微观结构缺陷。更棘手的是，传统化学改性方法难以实现对材料性能的精确调控，这严重制约了其在工业传感器(SDG-9)等领域的应用。

针对这一难题，由UGC-DAE科学研究中心和曼尼帕尔大学斋浦尔分校组成的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表重要成果。研究人员创新性地采用150 MeV Ni^{+11离子辐照技术，对水热法合成的(PANI)_2.5?(V₄O₇)_7.5复合材料进行改性，通过多尺度表征揭示了辐照诱导的分子与微结构演变规律。该研究选择Ni+11离子因其适中的电子阻止本领(S_e)，能在材料中产生可控的缺陷密度，为理解离子-材料相互作用机制提供了理想模型。}

研究主要采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构变化，高分辨透射电镜(HRTEM)观测原子尺度形貌，场发射扫描电镜(FESEM)表征表面拓扑结构，结合紫外-可见光谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析电子结构演变。所有实验样品均在印度校际加速器中心完成辐照处理，辐照注量为2.5×10¹¹ ions/cm²。

X射线衍射(XRD)分析
XRD图谱显示辐照后材料出现新的NiC相，正交晶系V₄O₇的(0-13)晶面间距从0.35 nm减小，表明辐照诱导的电子-声子耦合作用导致晶格收缩。这种结构变化与热峰模型预测的局部熔融-再结晶过程高度吻合。

UV-Vis光谱
未辐照样品在447 nm处的π-π*跃迁吸收边在辐照后红移至479 nm，带隙从2.77 eV降至2.59 eV。这种红移现象归因于辐照产生的氧空位在禁带中引入了缺陷能级，为设计可见光响应器件提供了新思路。

微观形貌演变
FESEM图像清晰显示辐照使PANI的片状结构转变为立方体形貌，V₄O₇颗粒发生显著团聚。原子力显微镜测得表面粗糙度增加42%，这种纳米级拓扑结构变化极大增强了材料的比表面积，有利于气体传感应用。

FTIR光谱
辐照后V-O-V不对称伸缩振动峰位从994 cm^-1向低波数移动，证实分子量增加导致的键能减弱。同时检测到V=O和PANI芳环C-H弯曲振动模式的变化，表明辐照引发了界面化学键重组。

这项研究系统阐明了快重离子辐照对有机-无机复合材料的双重作用机制：一方面通过电子阻止主导的能量沉积产生氧空位和晶格畸变；另一方面引发聚合物链的剪切断裂和交联反应。Ashish K. Kumawat等发现的结构-性能调控规律，不仅为开发新型光电传感器材料提供了实验基础，更建立了离子辐照参数与材料性能的定量关联模型。特别值得注意的是，辐照诱导的带隙红移现象与表面粗糙度协同效应，使该材料在工业传感器(SDG-9)领域展现出独特优势。研究团队强调，这种物理改性方法避免了化学掺杂带来的杂质问题，为精准调控有机-无机界面提供了普适性策略。

该成果的潜在应用价值已得到印度科技部(J&K Science Technology & Innovation Council)的专项资助。正如通讯作者Rashi Nathawat在讨论部分指出，下一步研究将聚焦于辐照参数与传感性能的构效关系，推动该材料体系向产业化应用迈进。这项工作不仅深化了对离子-材料相互作用机制的理解，更为功能材料的性能调控开辟了新途径。