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HWK23磁性開(kāi)關(guān)一開(kāi)一閉的原理
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杭榮
智能材料是材料科學(xué)領(lǐng)域的新革命，可以根據(jù)其周?chē)h(huán)境的變化來(lái)調(diào)整其屬性。它們可以被用于從自我修復(fù)的手機(jī)屏幕，到會(huì)變形以獲得更好氣動(dòng)性能的飛機(jī)機(jī)翼，以及有針對(duì)性的藥物輸送等各個(gè)方面。使用智能材料將藥物輸送到體內(nèi)的特定目標(biāo)，對(duì)于像癌癥這樣的疾病尤其重要，因?yàn)橹悄懿牧现挥性跈z測(cè)到癌細(xì)胞的存在時(shí)才會(huì)釋放藥物載荷，而健康細(xì)胞則不會(huì)受到傷害。
現(xiàn)在，新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)先進(jìn)二維材料中心(CA2DM)的研究人員創(chuàng)造了一類(lèi)新的智能材料。它具有二維材料的結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)得像電解質(zhì)，這使其可能成為在體內(nèi)輸送藥物的一種新方式。
就像傳統(tǒng)的電解質(zhì)一樣，這些新的"二維電解質(zhì)"在不同的溶劑中解離其原子，并變得帶電。此外，這些材料的排列可以由外部因素控制，如pH值和溫度，這是定向藥物輸送的理想選擇。二維電解質(zhì)還顯示了其他需要材料對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)的應(yīng)用的前景，如人造肌肉和能量?jī)?chǔ)存。
二維電解質(zhì)背后的團(tuán)隊(duì)由CA2DM主任Antonio Castro Neto教授領(lǐng)導(dǎo)，成員包括來(lái)自CA2DM、新加坡國(guó)立大學(xué)物理系和新加坡國(guó)立大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員。
在材料科學(xué)中，二維材料是一種存在于單層原子中的固體材料。它可以被認(rèn)為是一個(gè)原子薄片，有特定的高度和寬度，但實(shí)際上沒(méi)有深度，因此，它本質(zhì)上是二維的。另一方面，電解質(zhì)是一種物質(zhì)，它在溶解于溶劑(如水)時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)電的懸浮液。
通過(guò)改變懸浮液的pH值，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員證明了二維電解質(zhì)片有能力卷起成卷軸狀排列。這與帶電聚合物從分子鏈過(guò)渡到球狀物體的方式相似。
今天有許多二維材料存在，而且電解行為已經(jīng)在無(wú)數(shù)其他化合物中得到了充分證實(shí)。然而，新加坡國(guó)立大學(xué)研究人員的研究結(jié)果顯示，首次出現(xiàn)了同時(shí)具有二維結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)特性的材料，尤其是在液體介質(zhì)中可逆地改變其形態(tài)的趨勢(shì)。新加坡國(guó)立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用有機(jī)分子作為反應(yīng)性物種，向石墨烯和二硫化鉬(MoS2)等二維材料添加不同的功能，實(shí)現(xiàn)了這一成就。
Castro Neto教授解釋說(shuō)："通過(guò)添加不同的化學(xué)基團(tuán)，使其在溶劑中帶正電或負(fù)電，我們改變了傳統(tǒng)的二維材料，并提出了一類(lèi)新型的智能材料，其電子特性受形態(tài)構(gòu)象的控制。"
研究人員用來(lái)創(chuàng)造二維電解質(zhì)的方法只是許多潛在選擇中的幾個(gè)可能的例子，使這一發(fā)現(xiàn)成為一個(gè)令人興奮的新的研究領(lǐng)域。
這項(xiàng)研究的一個(gè)重大突破是，二維電解質(zhì)的方向可以通過(guò)調(diào)整外部條件而可逆地改變。目前，二維材料的表面電荷之間的電斥力導(dǎo)致它被鋪成一張平面。通過(guò)改變懸浮液的pH值、溫度或離子濃度，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員證明了二維電解質(zhì)片的變形能力和形成卷軸狀排列。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了詳細(xì)的理論分析的支持，他們?cè)诶碚摲治鲋薪忉屃司磔S形成和穩(wěn)定性背后的物理機(jī)制。
這些卷軸方向具有如此小的直徑，它們可以被描述為一維(1D)，從而導(dǎo)致不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。此外，這種從二維到一維的轉(zhuǎn)變是可逆的，通過(guò)改變外部條件回到它們的原始值。
Castro Neto教授說(shuō)："我們可以把二維電解質(zhì)看作是一維電解質(zhì)的高維類(lèi)似物，通常被稱(chēng)為聚電解質(zhì)。聚電解質(zhì)的重要例子包括許多生物相關(guān)材料，如DNA和RNA。當(dāng)加入酸、堿或鹽時(shí)，這些帶電的聚合物也會(huì)發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變，從一維的分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榱憔S的球狀物體，反之亦然。我們的二維電解質(zhì)，與聚電解質(zhì)類(lèi)似，顯示出從二維到一維的可逆轉(zhuǎn)變，作為外部因素的函數(shù)。作為刺激性反應(yīng)材料，它們適合于創(chuàng)造前沿的技術(shù)。"
發(fā)現(xiàn)這類(lèi)材料為材料科學(xué)家開(kāi)辟了新的探索領(lǐng)域，因?yàn)樗鼘鹘y(tǒng)上沒(méi)有聯(lián)系的兩個(gè)研究領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，即物理學(xué)領(lǐng)域的二維材料和電解質(zhì)(電化學(xué)領(lǐng)域)。
"對(duì)石墨烯和其他二維材料進(jìn)行功能化以將其轉(zhuǎn)化為二維電解質(zhì)的方法數(shù)不勝數(shù)。我們希望，我們的工作將激勵(lì)來(lái)自不同領(lǐng)域的科學(xué)家進(jìn)一步探索二維電解質(zhì)的特性和可能的應(yīng)用。我們預(yù)計(jì)，由于二維電解質(zhì)與生物或自然系統(tǒng)有相似之處，它們能夠自發(fā)地自我組裝和交聯(lián)，形成納米纖維，有望應(yīng)用于過(guò)濾膜、藥物輸送和智能電子紡織品，"Castro Neto教授解釋說(shuō)。
(原標(biāo)題：突破性的新型智能材料擁有從給藥到儲(chǔ)能的許多潛在用途)
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