智能变形凝胶——金属与有机物的自组装

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牛津大学工程科学系的研究人员研究出智能凝胶，能从凝胶到溶胶进行可逆性形态转变，具有高度可调性。可应用在微电子机械系统、传感器和微电子器件等方面。

图1.凝胶纤维结构的[color=rgb(68, 68, 68) !important]SEM照片

凝胶功能强大：我们剃须、刷牙以及梳头都要用到他们；做成软性隐形眼镜甚至可以挺高我们的视力。


最近，牛津大学工程科学系的研究人员研究的“智能凝胶” 可以从稳定的凝胶转变成有很多小颗粒悬浮的液体(即溶胶)。


他们在期刊Advanced Materials上报到说他们已经发现一种极不寻常的凝胶状材料；不仅仅是其从凝胶到溶胶的可逆性形态转变，而且这种形态变化可以被热，力学压力和化学物质等一系列的刺激所触发。


那么这种智能凝胶的机理是什么呢？


Abhijeet Chaudhari是牛津大学工程科学系多[color=rgb(68, 68, 68) !important]功能材料和[color=rgb(68, 68, 68) !important]复合材料系的博士生，也是上述报道文章中的第一作者。他指出，凝胶实际是由金属和有机物自组装成的混合材料。


“当我们在扫描电子显微镜下观察凝胶时，我们惊奇地发现精美的细纤维组织，这与如今其他已知的凝胶材料完全不同。”Abhijeet说。


他们发现交织在这些细微纤维周围的是大量尺寸在100[color=rgb(68, 68, 68) !important]纳米的纳米颗粒。[color=rgb(68, 68, 68) !important]X射线衍射实验证明这些纳米颗粒是“KUST-1”结构，一种铜基金属有机骨架配合物（MOF），尤其拥有极大的表面积（每克的表面积超过2000平方米）。


工程科学系的谭金崇教授（马来西亚，这个项目的领导者)说：“因为它具有小尺寸的光纤网络结构，这种新的混合凝胶对具有不同方式组合的外部激发剂非常敏感。”


“这让这个新的混合凝胶体系有高度可调性，可以让我们定制具有期望性能的材料来满足特殊的应用要求。”Abhijeet说。


为了说明这个观点，团队已经证明,在溶胶材料系统中，通过简单的转换溶剂的类型，凝胶的导电性能和机械弹性可以改变。

图2.受到物理或化学刺激后的凝胶-溶胶可逆转变

这些材料的可调性源于溶胶-凝胶的转换。非常明显，在此过程中稳定的凝胶瓦解成溶胶，一旦外界刺激移除又会变成凝胶。这个行为的驱动力来源于金属内部在微观尺度快速的键断裂（凝胶变溶胶）和键重组（溶胶变凝胶）。


谭金崇教授说：“这个迷人的现象在凝胶体系(包括MOF纳米粒子）中异常稀少；具我们所知这是文献报道的第一个例子。”


这种变形凝胶可以应用在微电子机械系统（MEMS）和MEMS器件制造方面。他们也可以创造具有自己修复撞击或腐蚀功能的“自愈合”涂料或研发用于充电电池的新电解质或超电容器的增强型电介质。


但是将金属有机骨架配合物（MOF）的纳米粒子做成传感器和微电子器件的薄膜的前景将会非常诱人。