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突破性的新型智能材料拥有从给药到储能的许多潜在用途

智能材料是材料科学领域的新革命,可以根据其周围环境的变化来调整其属性。它们可以被用于从自我修复的手机屏幕,到会变形以获得更好气动性能的飞机机翼,以及有针对性的药物输送等各个方面。使用智能材料将药物输送到体内的特定目标,对于像癌症这样的疾病尤其重要,因为智能材料只有在检测到癌细胞的存在时才会释放药物载荷,而健康细胞则不会受到伤害。

现在,新加坡国立大学(NUS)先进二维材料中心(CA2DM)的研究人员创造了一类新的智能材料。它具有二维材料的结构,但表现得像电解质,这使其可能成为在体内输送药物的一种新方式。

就像传统的电解质一样,这些新的"二维电解质"在不同的溶剂中解离其原子,并变得带电。此外,这些材料的排列可以由外部因素控制,如pH值和温度,这是定向药物输送的理想选择。二维电解质还显示了其他需要材料对环境变化做出反应的应用的前景,如人造肌肉和能量储存。

二维电解质背后的团队由CA2DM主任Antonio Castro Neto教授领导,成员包括来自CA2DM、新加坡国立大学物理系和新加坡国立大学材料科学与工程系的研究人员。

在材料科学中,二维材料是一种存在于单层原子中的固体材料。它可以被认为是一个原子薄片,有特定的高度和宽度,但实际上没有深度,因此,它本质上是二维的。另一方面,电解质是一种物质,它在溶解于溶剂(如水)时产生导电的悬浮液。

通过改变悬浮液的pH值,新加坡国立大学的研究人员证明了二维电解质片有能力卷起成卷轴状排列。这与带电聚合物从分子链过渡到球状物体的方式相似。

今天有许多二维材料存在,而且电解行为已经在无数其他化合物中得到了充分证实。然而,新加坡国立大学研究人员的研究结果显示,首次出现了同时具有二维结构和电解质特性的材料,尤其是在液体介质中可逆地改变其形态的趋势。新加坡国立大学的团队通过使用有机分子作为反应性物种,向石墨烯和二硫化钼(MoS2)等二维材料添加不同的功能,实现了这一成就。

Castro Neto教授解释说:"通过添加不同的化学基团,使其在溶剂中带正电或负电,我们改变了传统的二维材料,并提出了一类新型的智能材料,其电子特性受形态构象的控制。"

研究人员用来创造二维电解质的方法只是许多潜在选择中的几个可能的例子,使这一发现成为一个令人兴奋的新的研究领域。

这项研究的一个重大突破是,二维电解质的方向可以通过调整外部条件而可逆地改变。目前,二维材料的表面电荷之间的电斥力导致它被铺成一张平面。通过改变悬浮液的pH值、温度或离子浓度,新加坡国立大学的研究人员证明了二维电解质片的变形能力和形成卷轴状排列。这些实验结果得到了详细的理论分析的支持,他们在理论分析中解释了卷轴形成和稳定性背后的物理机制。

这些卷轴方向具有如此小的直径,它们可以被描述为一维(1D),从而导致不同的物理和化学性质。此外,这种从二维到一维的转变是可逆的,通过改变外部条件回到它们的原始值。

Castro Neto教授说:"我们可以把二维电解质看作是一维电解质的高维类似物,通常被称为聚电解质。聚电解质的重要例子包括许多生物相关材料,如DNA和RNA。当加入酸、碱或盐时,这些带电的聚合物也会发生构象转变,从一维的分子链转变为零维的球状物体,反之亦然。我们的二维电解质,与聚电解质类似,显示出从二维到一维的可逆转变,作为外部因素的函数。作为刺激性反应材料,它们适合于创造前沿的技术。"

发现这类材料为材料科学家开辟了新的探索领域,因为它将传统上没有联系的两个研究领域结合起来,即物理学领域的二维材料和电解质(电化学领域)。

"对石墨烯和其他二维材料进行功能化以将其转化为二维电解质的方法数不胜数。我们希望,我们的工作将激励来自不同领域的科学家进一步探索二维电解质的特性和可能的应用。我们预计,由于二维电解质与生物或自然系统有相似之处,它们能够自发地自我组装和交联,形成纳米纤维,有望应用于过滤膜、药物输送和智能电子纺织品,"Castro Neto教授解释说。

(原标题:突破性的新型智能材料拥有从给药到储能的许多潜在用途)