说明：本文华算科技系统阐述了核壳结构的定义、分类方法及其在材料设计中的功能调控机制。通过阅读，您将掌握从无机–无机到有机–无机等各类核壳结构的构建原理，学会通过界面工程和空间构型设计优化材料性能，为您开发高性能催化、能源及生物医学材料提供关键的设计策略与合成方法指导。
核壳结构是由至少两个化学或物理性质差异显著的材料构成的复合结构系统，通常表现为一组中心结构（核）被另一种材料所构建的外壳结构包覆，形成具有明确界面区分和空间封装特征的三维复合单元。
根据核与壳之间的作用机制，可分为紧密耦合型、界面交互型与物理隔离型结构。
核壳结构可以是一种具备径向组分分布梯度的非均质材料系统，其界面处常伴随应力分布变化、电荷迁移差异或晶格失配等微观现象，进而影响整体材料的热力学稳定性与动力学行为。在某些设计策略中，壳层不仅承担物理保护或反应屏蔽功能，同时也是功能激活与性能增强的关键因素。
此外，核壳结构并非仅限于球形或点对称几何体系，其拓扑结构可以表现为纤维状、片状、多面体甚至多层嵌套形式，具体结构受制于合成路径、前驱体性质以及界面张力的驱动机制（图1）。
图1. 双层核壳结构示意图。DOI: 10.1016/j.jma.2025.03.008。
无机-无机型核壳结构
该类结构通常由金属、金属氧化物、金属硫化物、碳材料或陶瓷等无机材料构成，具有良好的热稳定性、力学强度及电化学性能。
在功能实现方面，常用于储能、催化及磁性器件领域。其核与壳之间常形成异质界面，通过晶格失配调控电子结构或引导能带弯曲，实现载流子迁移优化与表面活性增强（图2）。
图2. UCNP@mSiO2核壳结构的制备。DOI: 10.1002/adma.201704639。
有机-有机型核壳结构
此类结构主要由聚合物、有机小分子或生物大分子组成，常见于乳液聚合体系、自组装体系及纳米胶束结构中。其显著特点为合成条件温和、生物相容性良好，适用于药物控释系统、缓释膜材料及生物传感应用。
在结构调控中，可通过分子间作用力（如氢键、疏水相互作用）实现核壳构建。
有机-无机杂化型核壳结构
该类结构融合了有机组分的柔性、生物亲和性与无机组分的化学稳定性及功能响应性，是多功能集成材料设计的重要方向。典型结构包括无机核–聚合物壳、量子点–脂质体系统等，广泛应用于靶向药物递送、荧光成像与光热治疗平台（图3）。
图3. Fe3O4@COF核壳结构。DOI: 10.1007/s00604-018-3198-3。
多组分复合型核壳结构
此类型在核或壳中引入多种化学组分，构成多相、多功能协同系统，兼顾导电性、催化活性与稳定性等性能。例如，壳层为多金属氧化物复合体或掺杂型碳材料，核为合金或异质金属材料，可实现界面工程、缺陷调控与电子结构调变的协同调控策略（图4）。
图4. ABC型嵌段共聚物的核壳结构。DOI: 10.1360/SSC-2022-0239。
同心球核壳结构
同心核壳结构是最具代表性的经典构型，其中核心位于几何中心，壳层在径向上保持均匀生长。这一结构通常通过异相成核与均匀外延包覆获得，壳层厚度受限于反应动力学与表面能差异。
其界面应力呈对称分布，能够最大限度降低因晶格失配或热膨胀系数差异带来的裂纹扩展风险。同时，同心结构的几何对称性确保了外壳提供均一的电子屏障或反应扩散通道（图5）。
图5. 同心球核壳结构。DOI: 10.3390/ijms232314502。
空心核壳结构
空心结构在形成过程中，核心通常先被包覆外壳，随后通过溶剂或反应剂选择性移除核心，形成内腔。空心壳体的内壁与外壁同时提供活性界面，其比表面积与界面密度显著增加，壳层厚度可精确调控至纳米级尺度。
同时，由于壳层与内腔之间存在空隙，材料在充放电或热循环中表现出良好的体积缓冲性能，可显著延缓结构粉化或失活（图6）。
图6. 空心核壳纳米球结构。DOI: 10.1038/s41578-019-0144-x。
多核单壳结构
多核单壳结构的典型特征是多个核心粒子被统一的外壳包覆，形成类似簇集体的复合体。常通过多核共沉积或自组装–包覆法形成，其中核心粒子在壳层形成前已发生初步团聚，而壳层的生长则将其整体包埋。
该构型的独特之处在于核间既存在相互作用，又被壳层有效隔离，既能保持单个核心的功能独立性，又能通过耦合作用实现协同效应（图7）。
图7. 多核单壳聚合物囊泡的自发形成机理图。DOI: 10.1002/advs.202402592。
多壳层结构
多壳层结构由一个核心和若干层外壳依次嵌套构成，每一层壳体可以引入不同成分与功能，通常通过自组装法或多步沉积反应获得。
不同壳层之间可通过厚度、化学组成和物理性能的差异，形成梯度功能分布。例如，内层可提供电子传输通道，中间层起应力缓冲与稳定作用，外层则承担表面活性与保护功能（图8）。
图8. 多壳层结构示意图。DOI: 10.3390/coatings13020334。
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