在过去三十年中，具有有序微观结构的介孔材料（孔径介于2-50纳米之间的多孔材料）的合成及在催化、分离、传感、载药及其他生物医学应用等诸多领域的应用吸引了研究人员的广泛关注。具有有序微观结构的介孔材料的合成通常由软模板法（即以表面活性剂或嵌段共聚物为模板指导无机前驱体的自组装）实现。与软模板法相比，对单组分两亲性杂化高分子的直接热裂解（单组分前驱体法）具有微观结构控制精准、不易发生前驱体与模板分子的宏观相分离、热裂解产物形态易于通过对前驱体的加工进行控制等优点，因而颇受研究人员青睐，并取得了一定的进展。然而受限于作为单组分前驱体的两亲性杂化高分子的化学组成多样性，由单组分前驱体法制备的有序介孔材料往往仅具有高孔隙率相关的属性，而不具有诸如电学或磁学等方面的功能，因而由单组分前驱体法所制备的有序介孔材料的应用受到了显著限制。

图1.（a）以单组分含二茂铁巨型分子为前驱体合成有序介孔磁性陶瓷材料；（b）两亲性巨型分子4DPOSS-PS₂₄-4Fc的化学结构。

　　针对以上问题，程正迪教授团队与冯雪岩研究员课题组设计并合成了一种由亲水笼形倍半硅氧烷（DPOSS）、聚苯乙烯链（PS）和二茂铁基元（Fc）组成的单组分两亲性杂化巨型分子（图1），并通过热退火的方式使该巨型分子发生体相自组装形成六方柱状相有序结构。对该杂化组装体进行热裂解可选择性移除其中的有机组分，从而得到红色的无机陶瓷材料MC-1。小角X射线衍射（SAXD）和透射电子显微镜（TEM）的表征表明，六方柱状相的有序结构在热裂解的过程中得到了很好的保持。运用广角X射线衍射（WAXD）和X-射线光电子能谱（XPS）等表征手段对热裂解产物进行组分分析，可以得出前驱体中的DPOSS在热裂解的过程中转化成了无定型的二氧化硅，而二茂铁基元则被转化成了γ-Fe₂O₃和α- Fe₂O₃，二者共同构成了具有六方柱状相有序结构的介孔磁性陶瓷材料。氮气吸附实验表明，该介孔磁性陶瓷材料具有较高的比表面积（707 m²/g）和均一的孔径分布（4.3 nm）（图2）。

图2. （a）巨型分子4DPOSS-PS₂₄-4Fc与对应热裂解产物MC-1的SAXD图案对比；（b）4DPOSS-PS₂₄-4Fc与（c）MC-1的TEM图案；MC-1的（d）N₂吸附曲线与（e）孔径分布。

　　研究人员随后对样品的磁学性质进行了研究。对样品MC-1的磁滞回线进行分析可以发现这一介孔陶瓷材料具有铁磁性。将前驱体分子中的二茂铁基元数量减少一半可得到另一介孔磁性陶瓷材料MC-2，其磁响应强度与MC-1相比有了显著下降。这表明通过对前驱体分子的化学结构进行调节可对最终介孔材料的性能进行有效调控。基于单组分大分子前驱体的良好的可加工性，不同形态的介孔磁性陶瓷材料（块体或薄膜）可通过对作为前驱体的巨型分子的加工而实现（图3）。由该方法制备的有序介孔磁性陶瓷材料对有机染料罗丹明B展现出了高达748 mg/g的吸附容量，同时由于该材料具有铁磁性，可通过磁吸的方法方便地与净化后的水体分离，因而其在污水处理领域具有较大的应用潜力。

图3.（a）陶瓷材料MC-1与MC-2的磁滞回线；（b）有序介孔磁性陶瓷材料的微观结构模型；（c）巨型分子块体与热裂解得到的陶瓷块体的照片；（d）磁性陶瓷块体被磁铁所吸引的照片。

　　综上所述，在这一研究中，作者设计并合成了一种由亲水笼形倍半硅氧烷、聚苯乙烯链和二茂铁基元组成的两亲性杂化巨型分子，并以之为单组分前驱体合成了具有六方柱状相有序结构的介孔磁性陶瓷材料。该材料具有高孔隙率和均一的孔径分布，并在磁性测试中展现出了铁磁性。通过对前驱体巨型分子的加工，介孔磁性陶瓷材料的形态和形状亦可得到很好的控制。基于该材料的高孔隙率和磁性，其对水中的有机染料展现出了很高的吸附容量并可通过磁吸的方式与净化后的水体进行分离，因而在污水处理领域具有较大的应用潜力。

　　相关工作以Communication的形式发表在了CCS Chemistry。本论文的共同第一作者为郭庆云博士和华南理工大学博士生李幸晗，通讯作者为程正迪教授和冯雪岩研究员。该工作还得到了东华大学刘浩教授、刘庚鑫教授、四川大学韩迪副研究员、华南理工大学张勃兴副教授和匹兹堡大学张炜教授的大力支持。